WO2009037278A1 - Auf die strassenoberfläche gerichtete lasersensoren zum erfassen der bewegung eines fahrzeugs - Google Patents

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motor vehicle
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Stephan Groitzsch
Wilfried Mehr
Bernhard Schmidt
Matthias Schorn
Christian Gutmann
Stefan STÖLZL
Frank Steinmeier
Artur Otto
Thomas Zuccaro
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Continental Teves Ag & Co. Ohg
Adc Automotive Distance Control Systems Gmbh
Continental Engineering Service Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to the detection of a movement of a motor vehicle.
  • the invention particularly relates to a sensor device for detecting the state of motion of a motor vehicle.
  • the invention relates to a method for detecting the state of motion of a motor vehicle.
  • a conventional vehicle dynamics control system generally comprises wheel speed sensors, from the measured values of which the vehicle longitudinal speed is derived, as well as a sensor for detecting the yaw rate of the vehicle and sensors for detecting the lateral acceleration and optionally the longitudinal acceleration.
  • DE 10 2004 060 677 A1 discloses an optical device for determining the speed of a motor vehicle, in which images of the vehicle background are recorded in a sequence. Based on a displacement of objects or structural features within the images, the speed of the vehicle is determined. In addition to the longitudinal speed, it is also possible to determine the transverse speed of the motor vehicle, which is often inaccessible to a measurement by means of the vehicle sensor system and constitutes a useful input variable for vehicle dynamics control systems.
  • Such a device usually requires additional illumination of the road surface, which increases the cost of integration into a motor vehicle.
  • the device is relatively susceptible to contamination of the camera or the lighting device, which occur increasingly due to the mounting position on the underbody of the motor vehicle. This may affect the availability of the device.
  • the device only speed components in the road level, but not perpendicular to it can be detected.
  • a sensor device for detecting a movement state of a motor vehicle comprises at least one laser unit, which is a light source for emitting coherent light emitted in the direction of a road surface when the sensor device is arranged on the motor vehicle, and having an interference detector, which is designed to detect at least one measured variable, the interference between the see on the surface scattered light and the light of the light source characterized.
  • the measured variable represents a speed component of the sensor device and / or a distance between the sensor device and the road surface.
  • the laser unit is coupled to an evaluation device, which is designed to determine from the measured variable at least one variable characterizing the state of motion of the vehicle.
  • a method for detecting a movement state of a motor vehicle with a sensor device is proposed. The procedure provides that
  • coherent light is emitted from a light source of the sensor device in the direction of a road surface
  • At least one measured variable is detected, which characterizes an interference between the light scattered on the road surface and the light of the light source, the measured variable is a speed component of the sensor device and / or a distance between the sensor device and the Road surface represents, and
  • the invention enables a non-contact determination of the state of motion of the motor vehicle. In this way, a reliable, independent of disturbing influences determination of the state of motion of the vehicle can be achieved. Furthermore, a very accurate determination of the variable characterizing the state of motion of the vehicle is made possible by the optical measuring method.
  • the variable characterizing the state of motion of the vehicle may in particular be one or more speed components of the vehicle and / or one or more rotation angles of the vehicle. These may be determined by the distance between the sensor device and the road surface, which is the distance along the light beam measured by the sensor device.
  • rotational angular velocities in particular the yaw rate, pitch rate and / or roll rate of the vehicle, can be determined. This can be done by using detected velocity components and / or by time derivative of corresponding angles of rotation.
  • the light emitted by the light source in the direction of the road surface is at least partially scattered back to the light source.
  • the location of the interference is therefore preferably the light source, in particular a laser resonator of the light source.
  • Such interference leads to a change in the operating state of the laser, which can be detected by a detector. This is also known as the silk-mising effect.
  • the sensor device comprises at least one sensor cluster with a plurality of laser units, which are coupled to the evaluation device, wherein the laser units emit light in different directions.
  • the sensor cluster comprises three laser units.
  • three speed components of the sensor device can advantageously be determined and / or three distances between the sensor device and the road surface.
  • the three speed components in particular the translational speed of the sensor determine sor worn relative to the roadway in the three spatial directions. If the distance to the road surface is determined by means of the laser units, the position of the sensor device relative to the road surface can be determined therefrom.
  • the laser units of the sensor cluster are arranged in a common housing, which can be fastened to an underside of a vehicle body, which faces the road surface during operation of the motor vehicle.
  • An advantage of this embodiment is that the laser units of the sensor cluster are arranged in a common housing, resulting in a compact and inexpensive construction of the sensor cluster. Furthermore, the sensor cluster in this embodiment can be mounted particularly easily on the vehicle, since not every laser unit needs to be mounted and aligned individually.
  • a refinement of the sensor device and of the method is characterized in that the evaluation device is designed to determine a speed component of the sensor cluster from the measured variables detected by the laser units of the sensor cluster and to determine at least one speed component of the motor vehicle based on the determined speed components.
  • the speed component of the motor vehicle may be a speed component of the vehicle center of gravity, which is particularly suitable for characterizing the driving dynamic state of the motor vehicle.
  • the vehicle longitudinal speed and / or the vehicle lateral speed can be determined relative to the vehicle center of gravity.
  • the movement at a point of the motor vehicle in particular the movement of the sensor device, can be broken down into the translation speed of the vehicle center of gravity and a rotational movement of the relevant point relative to the vehicle center of gravity, which can be described by the rotational rates of the vehicle or the vehicle body.
  • the yaw rates of the vehicle include a yaw rate that characterizes the rotational speed about the vehicle's vertical axis, a roll rate that characterizes a rotational speed about the vehicle longitudinal axis, and a pitch rate that characterizes the rotational speed about the vehicle lateral axis.
  • at least one yaw rate is used in order to determine the speed of the vehicle center of gravity on the basis of the ascertained speed components of the sensor cluster.
  • an embodiment of the sensor device and of the method provides that the evaluation device is designed to use at least one yaw rate of the motor vehicle when determining the speed component of the motor vehicle.
  • An embodiment of the invention which in particular enables the determination of at least one speed component of the motor vehicle, includes that the evaluation device is designed to determine at least one speed component of the motor vehicle from the measured variable detected in the sensor clusters and the first yaw rate detected by the device to determine a second rotation rate.
  • a device for determining a yaw rate is advantageously used to determine a component of the vehicle speed and / or a further yaw rate of the vehicle.
  • the state of motion of the motor vehicle including one or more speed components (n) and at least two yaw rates can be determined.
  • An associated embodiment of the sensor device and of the method is characterized in that the device for determining the rotation rate is a yaw rate sensor, in particular a yaw rate sensor.
  • the rotation rate sensor is designed, for example, as a micromechanical rotation rate sensor.
  • the yaw rate is a particularly important quantity for characterizing the driving dynamic state of the motor vehicle, in particular with regard to the stability of the driving state. Therefore, the yaw rate is measured directly in this embodiment, while in particular a further rotation rate, such as the roll rate, can be calculated from the determined measured variables.
  • the sensor device comprises three sensor clusters coupled to the evaluation device, wherein the evaluation device is designed to determine at least one speed component of the motor vehicle and / or at least one rotation rate of the vehicle from the measured variables determined using the three sensor clusters.
  • an embodiment of the sensor device and of the method comprises a first sensor cluster with a plurality of-in particular three-laser units, wherein the frequencies of the light emitted by the laser units can be modulated according to a modulation scheme such that a distance can be determined in the evaluation device from the detected measured variable, wherein the evaluation device is designed to determine from the determined distances at least one angle of rotation and / or at least one rate of turn of the vehicle.
  • this embodiment makes use of the possibility of determining the position of the sensor cluster relative to the roadway or a rotational angle of the vehicle body relative to the roadway from the distances determined by means of the laser units of the first sensor cluster. From the angle of rotation can also calculate the corresponding rate of rotation, which can also be determined in this embodiment. The calculation of the rate of rotation is done in particular by deriving the angle of rotation after the time.
  • An associated embodiment of the sensor device and of the method is characterized in that the frequencies of the light emitted by the laser units can be modulated according to a modulation scheme such that a velocity component of the first sensor cluster can be determined from the detected measured variable in each case in addition to the distance.
  • An advantage of this embodiment is that in addition to the distances between the sensor cluster and the road surface, speed components of the sensor device relative to the road surface can be determined. This can be achieved by a suitable modulation scheme.
  • a further connected embodiment of the sensor device and of the method includes that the evaluation device is designed to determine at least one speed component of the motor vehicle from the speed components determined by the first sensor cluster and the rotation rate.
  • the accuracy in determining the center of gravity speed can be improved by considering at least one additional yaw rate. For this reason, it is provided in an embodiment of the sensor device and the method that the evaluation device is designed to determine the speed component of the motor vehicle. zeugs to use another yaw rate, which is determined by means of a rotation rate sensor.
  • the yaw rate may be, in particular, the yaw rate of the vehicle.
  • the rotation rate sensor is designed in this case as a yaw rate sensor.
  • An alternative embodiment dispenses with the use of an additional yaw rate sensor, which operates on a different measuring principle than the laser units of the sensor device.
  • This embodiment comprises a second sensor cluster connected to the evaluation device, wherein velocity components of the second sensor cluster can be determined from the measured variable detected in the second sensor cluster, wherein the evaluation device is designed to supply at least one further rotation rate of the vehicle from the ascertained velocity components of the first and second sensor cluster determine and use the further yaw rate to determine the speed component of the motor vehicle.
  • the invention also provides a motor vehicle that includes a sensor device of the type described above.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a motor vehicle with a sensor device according to the invention in a vertical section
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a motor vehicle with a sensor device according to the invention in a horizontal section
  • FIG. 3 shows a schematic representation for illustrating the functional principle of a sensor device according to the invention
  • FIG. 5 is a schematic representation of a motor vehicle with three sensor clusters in a horizontal section
  • FIG. 6 shows a schematic representation of a motor vehicle with two sensor clusters in a horizontal section
  • FIG. 7 is a schematic representation of a sensor cluster in an embodiment that allows a distance measurement
  • FIG. 8 shows a diagram with a basic representation of the time profile of a modulated frequency of the light emitted by a laser unit
  • 9 shows a schematic representation of a motor vehicle with a sensor cluster and a yaw rate sensor and 10 is a schematic representation of a motor vehicle with two sensor clusters in a further embodiment.
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of a motor vehicle 101 which is equipped with a sensor cluster 102 which is connected to an evaluation device 110 arranged in the vehicle 101.
  • the motor vehicle 101 includes a body 105 and wheels 106.
  • the motor vehicle 101 may be, for example, a passenger car or a truck with any number of axles and wheels 106.
  • the evaluation device 110 is an electronic processing unit which has a microprocessor for performing calculations and has a nonvolatile memory in which algorithms and parameters for carrying out the calculations are stored.
  • the sensor cluster 102 is arranged on the underbody of the body 105 and comprises three laser units 108a, b, c, of which only one laser unit 108a is shown in FIG.
  • the measuring light beam 103a, b, c is focused and focused on a point of the road 104 or at a point near the road surface 104.
  • the measurement light beam 103a, b, c of a laser unit 108a, b, c is formed by coherent light and generated, for example, in a semiconductor laser, which in one embodiment can be configured as a vertical cavity surface emitting laser (VCSEL).
  • VCSEL vertical cavity surface emitting laser
  • the light is preferably in an invisible, in particular in the infrared spectral range, so that the measuring light beams 103a, b, c are not visible and road users can not be irritated. Alternatively, however, light can also be generated in another spectral range.
  • the laser units 108a, b, c of the sensor cluster 102 are arranged so that their measuring light beams 103a, b, c have different directions. In an exemplary configuration guration, the measuring light beams 103a, b, c close the same angle ⁇ ; with the underbody of the vehicle, however, their projections on the vehicle underbody have different angles ⁇ ; to the vehicle longitudinal direction, as shown schematically in Figure 2. Of course, other configurations are also possible.
  • the basic mode of operation of the laser units 108a, b, c is illustrated by way of example with reference to FIG. 3 for a laser unit 108i, which stands by way of example for all laser units 108a, b, c of the sensor cluster 102.
  • the laser unit 108i comprises a resonator 301 of length L, which is bounded by a front semitransparent mirror 302 and a rear semitransparent mirror 303.
  • the measurement light beam 103i is formed by light that exits from the resonator 301 in the direction of the road surface 104 through the front mirror 302.
  • the length of the distance which the measurement light beam 103 travels between the resonator 301 or the front mirror 302 and the road surface 104 is denoted by L 0 .
  • the measuring light beam 103 is scattered. A portion of the scattered light is reflected back as scattered light beam 305 in opposite directions to the measurement light beam 103i. Due to the optical devices 107i, the scattered light beam 305 enters the resonator 301 and interferes there with the light amplified in the resonator 301.
  • the scattered light beam 305 undergoes a Doppler shift. This is a change in the frequency of the light or the wavelength as a function of the said velocity component v L ⁇ . Due to the feedback of the scattered light beam 305 in the resonator 301 occurs within the resonator 301 on a SeIf-M ixing effect. This means that there is a modulation of the laser gain whose frequency depends on the Doppler shift of the scattered light beam 305 and thus also on the written speed component.
  • the temporal change Ag of the laser gain as a function of the velocity component v Ll of the relative movement between the resonator 301 and the road surface 104 in the direction of the measuring light beam 103i is described by the following equation:
  • K denotes a laser-specific coupling coefficient having a value between zero and one, / 0 the frequency of the light emitted from the laser unit 108i, c the speed of light, and t the time. Equation (1) results, for example, from the theory of the SeIf-M ixing effect in MH Kopeck et al., "Laser Doppler velocimeter based on the self-mixing effect in a fiber-coupled semiconductor laser: theory", Applied Optics , Vol. 31, 1992, pages 3401-3408.
  • the periodic modulation of the laser gain results in a corresponding periodic modulation of the intensity of the light emitted by the resonator 301. From the frequency with which the measured intensity changes periodically, the velocity component v Ll can be determined.
  • the photodiode 306 is provided, which detects light emerging from the resonator 301 through the rear mirror 303. Usually, such a diode 306 is used for keeping constant or regulating the intensity of the laser light and is therefore usually already part of the equipment of commercially available laser diodes.
  • the photodiode 306 is connected to the evaluation device 110, which determines the frequency of the intensity changes from the time course of the measured intensity and determines the velocity component v L ⁇ 1 based on this frequency.
  • the sensor coordinate system 401 is a rectangular coordinate system whose origin coincides with the mounting location of the sensor cluster 102 at a measurement time.
  • the sensor coordinate system 401 is thus a spatially fixed coordinate system that is initialized vehicle-fixed at the measurement time.
  • the center of gravity system 402 of the vehicle 101 also shows the center of gravity system 402 of the vehicle 101, the origin of which is initialized in the vehicle center of gravity CM at the time of measurement.
  • the sensor coordinate system 401 shows the Xv axis of the focus system 402 in the vehicle longitudinal direction to the front, the yv-axis in the vehicle transverse direction to the left, and the z-axis v in the vehicle vertical direction upwards.
  • the center of gravity system 402 is thus shifted and rotated relative to the sensor coordinate system 401 along the connecting line between the sensor cluster 102 and the vehicle center of gravity CM.
  • the directions H 1 of the measuring light beams 103 a, b, c of the sensor cluster 102 can be represented by the angles ⁇ ; and ⁇ ; are given, resulting from the fixed mounting position of the sensor cluster 102 and can be stored as parameters in the non-volatile memory of the evaluation device 110 and are illustrated in Figures 1 and 2.
  • x denotes the connection vector, starting from the sensor cluster 102 to the vehicle center of gravity CM.
  • the components of the connection vector x between the sensor cluster 102 and the vehicle center of gravity CM are stored as parameters in the non-volatile memory of the evaluation device 110, after having previously been for a typical load state of the vehicle 101 have been determined. Changes in the position of the center of gravity CM due to a change in loading are neglected in this embodiment.
  • the quantity ⁇ [d $ / dt, d ⁇ / dt denotes the angular velocity of the vehicle 101, the components of which are the roll rate d $ / dt of the vehicle 101, the pitch rate d ⁇ / dt of the vehicle 101, and the yaw rate of the vehicle 101.
  • the driving-dynamic state of the vehicle 101 is characterized by speed components, in particular a vehicle longitudinal speed v C h M x and a vehicle lateral speed v C h M y , which are related to a horizontal system.
  • This is a coordinate system whose xy plane is parallel to the roadway plane or lies in the roadway plane.
  • a horizontal system is used whose origin is initialized at the time of observation perpendicular to the center of gravity CM of the vehicle 101 in the roadway plane.
  • the x-axis extends in the roadway plane along the vehicle longitudinal direction to the front, the y-axis runs in the road surface 104 along the vehicle transverse direction to the left, the z-axis is perpendicular to the road surface 104 along the vehicle vertical direction upwards.
  • the following relationship exists between the centroid velocity v CM with respect to the centroid system 402 and the center-of-gravity velocity V CM ⁇ v c M, x> v c M, y> v c M, z ):
  • the matrix S y ( ⁇ ) describes a rotation about the instantaneous y-axis about the pitch angle ⁇ and the matrix S x ( ⁇ ) a rotation about the instantaneous x-axis about the roll angle ⁇ , and the following applies:
  • the arrangement is also chosen such that the sensor cluster 102a, b, c are not arranged on a straight line and preferably not in a plane.
  • the following equation applies, which is used for the evaluation, for example from equation (4) can be obtained:
  • first two or three values for the center of gravity velocity v CM can by using the for the other sensor cluster 102a, b, c determined velocity are determined V 1, and the center of gravity velocity v CM can be derived from the individual values. This increases the accuracy of the speed determination and allows a plausibility check, in which the three determined values are compared with each other in order to determine a faulty measurement at too large intervals.
  • the evaluation device 110 determines, based on equation (5), the vehicle longitudinal velocity v C h M x and the vehicle lateral velocity v C h M y and, if appropriate, the vertical velocity v C h M z of the vehicle center of gravity CM in the top-up System.
  • Output signals of the evaluation device 110 connected to the three sensor clusters 102a, b, c are, for example, the components of the translational velocity v CM of the center of gravity of the vehicle in the center of gravity system 402 which, during slight rolling and pitching movements of the vehicle 101, are good approximation values for the translation velocity v C h M im leveled system. If a determination of the rotation angle of the vehicle 101 is provided by integration of the rotation rates, the evaluating device 110 can also output the speed v C h M in the horizontal system as the output variable. Further output variables represent the three determined rotation rates of the vehicle 101.
  • a further embodiment which is illustrated schematically in FIG. 6, differs from the previously described embodiment in that, instead of three sensor clusters 102a, b, c, only two sensor clusters 102a, b are used, which are mounted at a distance from one another on the underside of the vehicle body 105 , In addition, however, a yaw rate sensor 601 is provided whose measurement signals of the evaluation device 110 in addition to the Measuring signals of the sensor cluster 102a, b are fed so that a rate of rotation of the vehicle 101 is measured directly.
  • the evaluation device 110 uses the velocities v a and v b determined for a sensor cluster 102 a, b or both sensor clusters 102 a, b to determine the translation speed v CM of the vehicle center of gravity CM in relation to the center of gravity system 402 analogously to the previous one Embodiment described with reference to FIG.
  • the roll and pitch angles of the vehicle 101 can also be determined by temporally integrating the roll rate and the pitch rate.
  • the rotation rate sensor 601 is preferably a yaw rate sensor, since the yaw rate has the greatest influence on the driving dynamics and therefore a direct measurement of the yaw rate independent of other variables is advantageous.
  • the yaw rate usually serves as an input variable of vehicle dynamics control systems, so that it is also advantageous to measure this variable directly.
  • a roll rate sensor or a pitch rate sensor may also be used instead of the yaw rate sensor.
  • the rotation rate sensor used can be configured in a manner known per se to a person skilled in the art, in particular as a micromechanical rotation rate sensor known per se.
  • Output signals of the evaluation device 110 are in this embodiment, for example, the components of the translation speed v CM of Vehicle center of gravity in the center of gravity system 402 or - if a determination of the rotation angle of the vehicle 101 by integrating the rotation rate is provided - translational speed v C h M in the horizontal system. Further output variables are the two rotation rates of the vehicle 101, which are not measured directly by means of the rotation rate sensor 601. When using a yaw rate sensor, these are the roll rate and the pitch rate of the vehicle 101.
  • a sensor configuration including a velocity cluster 102 and yaw rate sensor 601 may also be used to approximate the aforementioned magnitudes.
  • This sensor configuration is shown schematically in FIG. 6a.
  • the rotation rate sensor 601 is preferably a yaw rate sensor for the reasons already mentioned above.
  • the motor vehicle 101 is equipped with a sensor cluster 102 and a yaw rate sensor whose measurement signals are supplied to the evaluation device in addition to the measurement signals of the sensor cluster 102 as input signals. From the measurement signals of the sensor cluster 102, the evaluation device 110 determines the velocity v of the sensor cluster. Then, using the yaw rate dy / dt, an approximate value for the translation speed v CM of the vehicle center of gravity CM is determined. This happens according to the relationship
  • the quantity x here denotes the x component of the vector x in the sensor coordinate system 401, ie the distance of the vehicle center of gravity CM measured by the sensor cluster 102 in the vehicle longitudinal direction.
  • the variable y denotes the y components of the vector x in the sensor coordinate system 401, ie the distance measured in the vehicle transverse direction Distance of the vehicle center of gravity CM from the sensor cluster 102.
  • the output signals of the evaluation device 110 comprise the components of the approximated translation speed v CM of the vehicle center of gravity CM in the center of gravity system 402, which are also used as approximations for the components of the center point velocity v C h M in the hoisted system can be.
  • the sensor cluster 102 can also be mounted in the center of gravity CM of the vehicle 101 or vertically below the center of gravity CM of the vehicle 101. In this case, neglecting pitching and rolling motions of the vehicle 101, the translational speeds can be measured directly, and no rotational components need be taken into account.
  • the vehicle 101 can be equipped in addition to the yaw rate sensor with a roll rate sensor and / or with a pitch rate sensor, so that in addition to the yaw rate further rotation rates can be measured and taken into account in the calculation of the translation speed v CM of the vehicle center of gravity CM.
  • the corresponding rotation angles can also be determined and used to determine the vehicle speed v C h M in the raised system from the speed v CM in the center of gravity system 402 so that the components of the vehicle speed v c h M can be output in the raised system.
  • a sensor cluster 102 of the type described above is also used.
  • a device with which the roll and pitch angles of the vehicle body 105 are determined.
  • displacement sensors can be provided on spring elements of a chassis of the vehicle 101, which support the vehicle body 105 relative to the wheels 106.
  • the displacement sensors are in each case assigned to a spring element and measure the distance by which the body 105 presses against the corresponding spring element.
  • at least three displacement sensors are provided on each vehicle wheel 106 in order to determine the variables mentioned in a manner known to the person skilled in the art.
  • a fourth displacement sensor allows a redundant determination of the sizes, so that a more accurate determination is possible.
  • the evaluation device 110 determines the roll angle and the pitch angle of the vehicle 101 from the spring paths measured by the displacement sensors. Furthermore, the roll rate and the pitch rate can be determined in the evaluation device 110 by time derivation of the roll angle and the pitch angle of the vehicle 101. These are then used to determine from the determined speed v of the sensor cluster 102 the translation speed v CM of the vehicle center of gravity CM using the relationship (4). On the basis of the determined roll angle and the determined pitch angle, the vehicle speed v C h M can be calculated in the horizontal system. Output signals of the evaluation device 110 thus represent in this embodiment the components of the vehicle speed v C h M in the horizontal system, the rotation rates of the vehicle 101 and possibly the rotation angles of the vehicle 101.
  • a further embodiment of the invention provides for the use of a sensor cluster 701 which is schematically illustrated in FIG. 7 and which is modified in comparison with the previously described clusters in order not only to measure the velocity components in the direction of the measuring light beams 703 a, b, c but also the distances. conditions which cover the measuring light beams 703 a, b, c between the sensor cluster 701 and the road surface 104.
  • the modified cluster 701 is referred to below as the distance cluster, while the previously described sensor cluster 102 for speed measurement for the purpose of defining the distance cluster is referred to below as the velocity cluster.
  • the space cluster 701 is mounted to the underbody of the vehicle body 105.
  • the laser units 702 a, b, c which are connected to an evaluation device 704 and emit measuring light beams 703 a, b, c in different directions, which are reflected on the roadway surface 104.
  • the laser units 703a, b, c of the distance cluster 701 can in principle be configured as the laser units 108a, bc of the velocity cluster.
  • the frequency of the light emitted by the laser units 702a, b, c is variable. The change is preferably brought about by a change in the current flowing through the laser diodes, which is carried out by means of a control device 705.
  • the distance cluster 701 As with the speed cluster 102, in the distance cluster 701, light emitted from a laser unit 702i is scattered on the road surface 104 and partially reflected back to the laser unit 702i. The back-reflected light is fed back into the resonator of the corresponding laser unit 702i and interferes in the resonator of the laser unit 702i with the light generated there. This leads to the occurrence of a Sei ming effect in the resonator, which leads to a modulation of the intensity of the light emitted by the laser diode, which is detected by a photodiode.
  • the modulation of the current of the photodiode has a frequency which corresponds to the difference between the frequencies of the back-reflected laser light and the laser light in the resonator, provided that this difference frequency can be resolved by the photodiode.
  • the frequency of the emitted laser light is modulated according to the FMCW principle known per se (FMCW: Frequency Modulated Continuous Wave).
  • FMCW Frequency Modulated Continuous Wave
  • the frequency is modulated by a corresponding change in the current flowing through the laser diode by means of the control device 705.
  • a linear modulation according to a triangular function is provided, as shown schematically in the diagram in FIG. 8 by the solid line. In the diagram, the frequency / is plotted against the time t.
  • the frequency of the reflected-back signal whose time profile is shown in the diagram in FIG. 8 with the dashed line is shifted.
  • both parts of the frequency shift can be determined by an evaluation of the difference frequency during increasing frequency and decreasing frequency. It applies here:
  • f Hub denotes the frequency deviation, ie, the difference between the minimum and the maximum of the modulated frequency, and T the period of the frequency modulation.
  • a distance cluster 701 may be used to determine these quantities instead of a single sensor cluster, with which the distances d L ⁇ are detected, and a separate velocity cluster 102 of the type described above is used to determine the speeds v Ll .
  • the distance cluster 701 and the velocity cluster 102 may be integrated in a common housing in this embodiment.
  • both sensor clusters 701, 102 may have a common evaluation device 704.
  • the distance determined using a laser unit 702i of the distance cluster 701 corresponds to the amount of a connection vector d L ⁇ between the distance cluster 701 and the point of the road surface 104 at which the corresponding measuring light beam 703a, b, c impinges.
  • the three connection vectors d La , d Lb and d Lc span a plane which corresponds to the road plane.
  • the evaluation device 704 can determine, in particular from the determined distances d La , d Lb and d Lc , the rotational angles between the xy plane of the sensor coordinate system 401 and the road plane. These angles of rotation correspond to the roll angle and the pitch angle of the vehicle body 105, since the track plane is aligned parallel to the xy plane of the horizontal coordinate system.
  • a normal unit vector of the plane spanned by the measuring light beams 703a, b, c can be determined.
  • Such a normal unit vector is obtained by using the vector product, for example, j j (1 5) where ⁇ denotes the absolute amount.
  • the vector equation (16) includes a system of equations for the determination of the roll angle ⁇ and the pitch angle ⁇ of the vehicle body 105.
  • Equation (18) the x-component of H is to be used in the physical unit in which the standardization for H has been carried out, which may for example have been done in centimeters or meters.
  • the roll rate and the pitch rate of the vehicle 101 are calculated by time derivation of the roll angle and the pitch angle.
  • knowledge of the yaw rate of the vehicle 101 is required in addition to the roll rate and the pitch rate. This is detected by means of a yaw rate sensor 901 in one embodiment, which is illustrated schematically in FIG. 9 on the basis of a block diagram. In a further embodiment, which is shown in a schematic block diagram in FIG.
  • a further sensor cluster is used, which is mounted at a distance from the distance cluster on the underbody of the vehicle body 105.
  • the additionally used sensor cluster can be a further distance cluster 701 b or a speed cluster 102.
  • the speed of this sensor cluster is determined so that there are two speeds: the velocity v La of the distance cluster 701 and the velocity v Lb of the additional sensor cluster.
  • the yaw rate from the relationship can be derived from these two equations in the manner already described above
  • the evaluation device 704 Based on the roll rate, the pitch rate and the yaw rate, the evaluation device 704 then calculates from the distance cluster 102 determined by the distance cluster 102. speed v La and / or the speed v Lb determined by means of the additional sensor cluster, the speed v CM of the vehicle center of gravity CM using the relationship (4). On the basis of the roll angle determined by means of the distance cluster 701 and the determined pitch angle, the vehicle speed v C h M in the horizontal system in the evaluation device 704 can be calculated in a further step from the speed v CM . Output signals of the evaluation device 704 thus represent in this embodiment the components of the vehicle speed V C h M in the horizontal system, the rotation rates of the vehicle 101 and, if appropriate, the angles of rotation of the vehicle 101.
  • the vehicle speed v C h M in the centered system can be determined by the evaluation device 110, 704 or the speed v CM of the vehicle 101 in the center of gravity system 402 is determined to be approximately the speed v C h M im equals the horizontal coordinate system.
  • the determined speed components may be used directly by other systems of the vehicle 101, such as driver information systems or control systems, such as vehicle dynamics control.
  • further driving dynamics variables can be derived, which can be used in other vehicle systems.
  • the lateral acceleration of the vehicle 101 can be calculated from the vehicle lateral velocity v C h M y by time derivation, so that no additional lateral acceleration sensor is required, which is a conventional component of conventional vehicle dynamics control systems.
  • the float angle ⁇ of the vehicle 101 can be determined, for which the following applies:
  • the slip angle is particularly well suited for characterizing the driving state, especially in critical driving situations, and can therefore For example, be used by vehicle dynamics control to stabilize the vehicle 101.
  • vehicle dynamics control to stabilize the vehicle 101.
  • the slip angle can not be determined reliably, so that the implementation of vehicle dynamics controls can be significantly improved by the present invention due to the provision of the slip angle.
  • the yaw rate and roll rate as well as the pitch rate of the vehicle 101 may be determined. These quantities can also be made available to further devices of the vehicle 101.
  • driving dynamics regulations may be mentioned by way of example, in whose control algorithms these variables can be incorporated, or chassis regulations and other driver assistance and passive safety systems which compensate, for example, roll and / or pitch movements of the vehicle body 105.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sensoreineinrichtung zum Erfassen eines Bewegungszustands eines Kraftfahrzeugs (101). Die Sensoreinrichtung umfasst wenigstens eine Lasereinheit (108a) mit einer Lichtquelle zum Emittieren von kohärentem Licht, das in Richtung einer Fahrbahnoberfläche (104) ausgesendet wird, und einem Interferenz-Detektor, der dazu ausgebildet ist, wenigstens eine Messgröße zu erfassen, die eine Interferenz zwischen dem an der Oberfläche gestreuten Licht und dem Licht der Lichtquelle charakterisiert. Die Messgröße repräsentiert eine Geschwindigkeitskomponente der Sensoreinrichtung und/oder eine Entfernung zwischen der Sensoreinrichtung und der Fahrbahnoberfläche (104). Die Lasereinheit (108a) ist mit einer Auswerteeinrichtung (110) gekoppelt, die dazu ausgebildet ist, aus der Messgröße wenigstens eine den Bewegungszustand des Fahrzeugs (101) charakterisierende Größe zu bestimmen, insbesondere eine Geschwindigkeitskomponente des Fahrzeugschwerpunkts, einen Drehwinkel oder eine Drehrate des Fahrzeugs.

Description

AUF DIE STRASSENOBERFLÄCHE GERICHTETE LASERSENSOREN ZUM ERFASSEN
DER BEWEGUNG EINES FAHRZEUGS
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf die Erfassung einer Bewegung eines Kraftfahr- zeugs. Gegenstand der Erfindung ist insbesondere eine Sensoreinrichtung zum Erfassen des Bewegungszustands eines Kraftfahrzeugs. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Erfassen des Bewegungszustands eines Kraftfahrzeugs.
Hintergrund der Erfindung
Der Erfassung von Bewegungen eines Kraftfahrzeugs kommt in der Automobiltechnik besondere Bedeutung zu. Bewegungsgrößen, wie beispielsweise die Fahrzeuglängsgeschwindigkeit, stellen eine wichtige Information für den Fahrer des Fahrzeugs dar. Ferner dienen Bewegungsgrößen als Eingangssignale für Fahrdynamikregelsysteme, mit denen Sicherheit und Komfort des Fahrzeugs verbessert werden. Ein herkömmliches Fahrdynamikregelsystem umfasst dabei in der Regel Raddrehzahlsensoren, aus deren Messwerten die Fahrzeuglängsgeschwindigkeit abgeleitet wird, sowie einen Sensor zur Erfassung der Gierrate des Fahrzeugs und Sensoren zur Erfassung der Querbeschleunigung und gegebenenfalls der Längsbeschleunigung. Aus der DE 10 2004 060 677 A1 geht eine optische Einrichtung zum Ermitteln der Geschwindigkeit eines Kraftfahrzeugs hervor, bei der Bilder des Fahrzeuguntergrunds in einer Folge aufgenommen werden. Anhand einer Verschiebung von Objekten bzw. Strukturmerkmalen innerhalb der Bilder wird die Geschwin- digkeit des Fahrzeugs ermittelt. Neben der Längsgeschwindigkeit kann dabei auch die Quergeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs ermittelt werden, die einer Messung mittels der Fahrzeugsensorik häufig nicht zugänglich ist und eine nützliche Eingangsgröße für Fahrdynamikregelsysteme darstellt.
Eine derartige Einrichtung erfordert in der Regel eine zusätzliche Beleuchtung der Fahrbahnoberfläche, wodurch sich der Aufwand für die Integration in ein Kraftfahrzeug erhöht. Ferner ist die Einrichtung relativ anfällig gegen Verschmutzungen der Kamera bzw. der Beleuchtungseinrichtung, die aufgrund der Einbaulage am Unterboden des Kraftfahrzeugs verstärkt auftreten. Hierdurch kann die Verfügbarkeit der Einrichtung beeinträchtigt werden. Darüber hinaus können mit der Einrichtung lediglich Geschwindigkeitskomponenten in der Fahrbahnebene, nicht jedoch senkrecht dazu erfasst werden.
Darstellung der Erfindung
Daher ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Erfassung von Bewegungen eines Kraftfahrzeugs zu ermöglichen, die insbesondere eine zuverlässigere Bewegungserfassung ermöglicht.
Die Aufgabe wird durch eine Sensoreinheit mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 15 gelöst. Ausführungsformen der Sensoreinheit und des Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Sensoreinrichtung zum Erfassen eines Bewegungszustands eines Kraftfahrzeugs vorgeschlagen. Die Sensoreinrichtung umfasst wenigstens eine Lasereinheit, die eine Lichtquelle zum Emittieren von kohärentem Licht aufweist, das in Richtung einer Fahrbahnoberfläche ausgesendet wird, wenn die Sensoreinrichtung am Kraftfahrzeug angeordnet ist, und die einen Interferenz-Detektor aufweist, der dazu ausgebildet ist, wenigstens eine Messgröße zu erfassen, die eine Interferenz zwi- sehen dem an der Oberfläche gestreuten Licht und dem Licht der Lichtquelle charakterisiert. Die Messgröße repräsentiert eine Geschwindigkeitskomponente der Sensoreinrichtung und/oder eine Entfernung zwischen der Sensoreinrichtung und der Fahrbahnoberfläche. Die Lasereinheit ist mit einer Auswerteeinrichtung gekoppelt, die dazu ausgebildet ist, aus der Messgröße wenigstens eine den Bewegungszustand des Fahrzeugs charakterisierende Größe zu bestimmen.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Erfassen eines Bewegungszustands eines Kraftfahrzeugs mit einer Sensoreinrichtung vorgeschlagen. Das Verfahren sieht vor, dass
- aus einer Lichtquelle der Sensoreinrichtung kohärentes Licht in Richtung einer Fahrbahnoberfläche ausgesendet wird,
- mit einem Interferenz-Detektor der Sensoreinrichtung wenigstens eine Messgröße erfasst wird, die eine Interferenz zwischen dem an der Fahr- bahnoberfläche gestreuten Licht und dem Licht der Lichtquelle charakterisiert, wobei die Messgröße eine Geschwindigkeitskomponente der Sensoreinrichtung und/oder eine Entfernung zwischen der Sensoreinrichtung und der Fahrbahnoberfläche repräsentiert, und
- nach Maßgabe der Messgröße wenigstens eine den Bewegungszustand des Fahrzeugs charakterisierende Größe ermittelt.
Die Erfindung ermöglicht eine berührungslose Bestimmung des Bewegungszustands des Kraftfahrzeugs. Hierdurch kann eine zuverlässige, von störenden Einflüssen unabhängige Bestimmung des Bewegungszustands des Fahrzeugs erreicht werden. Ferner wird durch das optische Messverfahren eine sehr genaue Ermittlung der den Bewegungszustand des Fahrzeugs charakterisierenden Größe ermöglicht. Bei der den Bewegungszustand des Fahrzeugs charakterisierenden Größe kann es sich insbesondere um eine oder mehrere Geschwindigkeitskomponenten des Fahrzeugs und/oder um einen oder mehrere Drehwinkel des Fahrzeugs handeln. Diese können anhand der Entfernung zwischen der Sensoreinrichtung und der Fahrbahnoberfläche bestimmt werden, bei der es sich um die Entfernung entlang des von der Sensoreinrichtung gemessenen Lichtstrahls handelt. Darüber hinaus können Drehwinkelgeschwindigkeiten, insbesondere die Gierrate, Nickrate und/oder Wankrate des Fahrzeugs, bestimmt werden. Dies kann unter Heranziehung von erfassten Geschwindigkeitskomponenten und/oder durch zeitliche Ableitung von entsprechenden Drehwinkeln erfolgen.
Das von der Lichtquelle in Richtung der Fahrbahnoberfläche ausgesendete Licht wird zumindest teilweise zu der Lichtquelle zurückgestreut.
Um einen kompakten und unkomplizierten Aufbau der Sensoreinrichtung zu erreichen, ist der Ort der Interferenz daher vorzugsweise die Lichtquelle, insbesondere ein Laserresonator der Lichtquelle. Eine derartige Interferenz führt zu einer Veränderung des Betriebszustands des Lasers, der mit einem Detektor erfasst werden kann. Dies wird auch als SeIf-M ixing-Effekt bezeichnet.
In einer Ausführungsform der Sensoreinrichtung und des Verfahrens umfasst die Sensoreinrichtung wenigstens einen Sensorcluster mit mehreren Lasereinheiten, die mit der Auswerteeinrichtung gekoppelt sind, wobei die Lasereinhei- ten Licht in verschiedene Richtung emittieren. Vorzugsweise umfasst der Sensorcluster drei Lasereinheiten.
Mittels der drei Lasereinheiten, die jeweils Licht in eine bestimmte Richtung aussenden, lassen sich vorteilhaft drei Geschwindigkeitskomponenten der Sen- soreinrichtung bestimmen und/oder drei Entfernungen zwischen der Sensoreinrichtung und der Fahrbahnoberfläche. Anhand der drei Geschwindigkeitskomponenten lässt sich insbesondere die translatorische Geschwindigkeit der Sen- soreinrichtung relativ zur Fahrbahn in die drei Raumrichtungen bestimmen. Wird mittels der Lasereinheiten jeweils die Entfernung zur Fahrbahnoberfläche ermittelt, kann daraus die Lage der Sensoreinrichtung relativ zu der Fahrbahnoberfläche bestimmt werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Sensoreinrichtung und des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Lasereinheiten des Sensorclusters in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind, das an einer Unterseite einer Fahrzeugkarosserie befestigt werden kann, die im Betrieb des Kraftfahrzeugs der Fahr- bahnoberfläche zugewandt ist.
Ein Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass die Lasereinheiten des Sensorclusters in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind, woraus ein kompakter und kostengünstiger Aufbau des Sensorclusters resultiert. Ferner kann der Sensorcluster in dieser Ausgestaltung besonders einfach am Fahrzeug montiert werden, da nicht jede Lasereinheit einzeln angebracht und ausgerichtet zu werden braucht.
Eine Weiterbildung der Sensoreinrichtung und des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist, aus den mittels der Lasereinheiten des Sensorclusters erfassten Messgrößen jeweils eine Geschwindigkeitskomponente des Sensorclusters zu ermitteln und basierend auf den ermittelten Geschwindigkeitskomponenten wenigstens eine Geschwindigkeitskomponente des Kraftfahrzeugs zu bestimmen.
Bei der Geschwindigkeitskomponente des Kraftfahrzeugs kann es sich um eine Geschwindigkeitskomponente des Fahrzeugschwerpunkts handeln, die besonders zur Charakterisierung des fahrdynamischen Zustands des Kraftfahrzeugs geeignet ist. Insbesondere kann die Fahrzeuglängsgeschwindigkeit und/oder die Fahrzeugquergeschwindigkeit bezogen auf den Fahrzeugschwerpunkt bestimmt werden. Die Bewegung an einem Punkt des Kraftfahrzeugs, insbesondere die Bewegung der Sensoreinrichtung, kann zerlegt werden in die Translationsgeschwindigkeit des Fahrzeugschwerpunkts und einer Drehbewegung des betreffenden Punkts relativ zum Fahrzeugschwerpunkt, die durch die Drehraten des Fahr- zeugs bzw. der Fahrzeugkarosserie beschrieben werden kann. Die Drehraten des Fahrzeugs umfassen eine Gierrate, welche die Drehgeschwindigkeit um die Fahrzeughochachse charakterisiert, eine Wankrate, welche eine Drehgeschwindigkeit um die Fahrzeuglängsachse charakterisiert und eine Nickrate, welche die Drehgeschwindigkeit um die Fahrzeugquerachse charakterisiert. Vorzugsweise wird wenigstens eine Drehrate herangezogen, um anhand der ermittelten Geschwindigkeitskomponenten des Sensorclusters die Geschwindigkeit des Fahrzeugsschwerpunkts zu bestimmen.
Infolgedessen sieht eine Ausgestaltung der Sensoreinrichtung und des Verfah- rens vor, dass die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist, bei der Bestimmung der Geschwindigkeitskomponente des Kraftfahrzeugs wenigstens eine Drehrate des Kraftfahrzeugs heranzuziehen.
Eine Ausgestaltung der Erfindung, die insbesondere die Ermittlung wenigstens einer Geschwindigkeitskomponente des Kraftfahrzeugs ermöglicht, beinhaltet, dass die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist, aus den in den Sensor- clustern erfassten Messgröße und der mittels der Einrichtung erfassten ersten Drehrate wenigstens eine Geschwindigkeitskomponente des Kraftfahrzeugs und/oder eine zweite Drehrate zu bestimmen.
Vorteilhaft wird hier neben den zwei Sensorclustern eine Einrichtung zur Bestimmung einer Drehrate herangezogen, um eine Komponente der Fahrzeuggeschwindigkeit und/oder eine weitere Drehrate des Fahrzeugs zu ermitteln. Hierdurch kann mit einer relativ einfachen Sensorkonfiguration der Bewegungs- zustand des Kraftfahrzeugs einschließlich einer oder mehrere Geschwindig- keitskomponente(n) und wenigstens zwei Drehraten bestimmt werden. Eine verbundene Ausgestaltung der Sensoreinrichtung und des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass es sich bei der Einrichtung zum Bestimmen der Drehrate um einen Drehratensensor, insbesondere einen Gierratensensor, handelt.
Der Drehratensensor ist beispielsweise als ein mikromechanischer Drehratensensor ausgestaltet. Bei der Gierrate handelt es sich um eine besonders wichtige Größe zur Charakterisierung des fahrdynamischen Zustands des Kraftfahrzeugs, insbesondere im Hinblick auf die Stabilität des Fahrzustands. Daher wird die Gierrate in dieser Ausgestaltung direkt gemessen, während insbesondere eine weitere Drehrate, wie beispielsweise die Wankrate, aus den ermittelten Messgrößen berechnet werden kann.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Sensoreinrichtung und des Verfahrens wird auf einen zusätzlichen Sensor verzichtet, der eine Messgröße nach einem anderen Messprinzip erfasst. In dieser Ausführungsform umfasst die Sensoreinrichtung drei mit der Auswerteeinrichtung gekoppelte Sensorcluster, wobei die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist, aus den mit den drei Sensorclustern ermittelten Messgrößen wenigstens eine Geschwindigkeitskomponente des Kraftfahrzeugs und/oder wenigstens eine Drehrate des Fahrzeugs zu bestimmen.
Ferner umfasst eine Ausgestaltung der Sensoreinrichtung und des Verfahrens einen ersten Sensorcluster mit mehreren - insbesondere drei - Lasereinheiten, wobei die Frequenzen des von den Lasereinheiten emittierten Lichts nach einem Modulationsschema derart modulierbar sind, dass in der Auswerteeinrichtung aus der erfassten Messgröße jeweils eine Entfernung ermittelbar ist, wobei die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist, aus den ermittelten Entfernungen wenigstens einen Drehwinkel und/oder wenigstens eine Drehrate des Fahr- zeugs zu bestimmen. Vorteilhaft nutzt diese Ausgestaltung die Möglichkeit, aus den mittels der Lasereinheiten des ersten Sensorclusters ermittelten Entfernungen die Lage des Sensorclusters relativ zur Fahrbahn bzw. einen Drehwinkel der Fahrzeugkarosserie relativ zur Fahrbahn zu bestimmen. Aus dem Drehwinkel lässt sich zudem auch die entsprechende Drehrate berechnen, die in dieser Ausgestaltung gleichfalls bestimmt werden kann. Die Berechnung der Drehrate geschieht insbesondere durch Ableiten des Drehwinkels nach der Zeit.
Eine verbundene Ausgestaltung der Sensoreinrichtung und des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenzen des von den Lasereinheiten emittierten Lichts nach einem Modulationsschema derart modulierbar sind, dass aus der erfassten Messgröße jeweils neben der Entfernung eine Geschwindigkeitskomponente des ersten Sensorclusters ermittelbar ist.
Ein Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass neben den Entfernungen zwischen dem Sensorcluster und der Fahrbahnoberfläche auch Geschwindigkeitskomponenten der Sensoreinrichtung relativ zur Fahrbahnoberfläche ermittelt werden können. Dies lässt sich durch ein geeignetes Modulationsschema erreichen.
Eine weitere verbundene Ausgestaltung der Sensoreinrichtung und des Verfahrens beinhaltet, dass die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist, aus den mit dem ersten Sensorcluster ermittelten Geschwindigkeitskomponenten und der Drehrate wenigstens eine Geschwindigkeitskomponente des Kraftfahrzeugs zu bestimmen.
Die Genauigkeit bei der Bestimmung der Schwerpunktgeschwindigkeit lässt sich durch die Berücksichtigung wenigstens einer weiteren Drehrate verbessern. Aus diesem Grund ist es bei einer Ausführungsform der Sensoreinrich- tung und des Verfahrens vorgesehen, dass die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist, zur Ermittlung der Geschwindigkeitskomponente des Kraftfahr- zeugs eine weitere Drehrate heranzuziehen, die mittels eines Drehratensensors ermittelt wird.
Vorteilhaft kann es sich bei der Drehrate insbesondere um die Gierrate des Fahrzeugs handeln. Der Drehratensensor ist in diesem Falls als ein Gierratensensor ausgestaltet.
Eine alternative Ausgestaltung verzichtet auf die Verwendung eines zusätzlichen Drehratensensors, der nach einem anderen Messprinzip arbeitet als die Lasereinheiten der Sensoreinrichtung. Diese Ausgestaltung umfasst einen mit der Auswerteeinrichtung verbundenen zweiten Sensorcluster, wobei aus der in dem zweiten Sensorcluster erfassten Messgröße Geschwindigkeitskomponenten des zweiten Sensorclusters ermittelbar sind, wobei die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist, aus den ermittelten Geschwindigkeitskomponenten des ersten und zweiten Sensorclusters wenigstens eine weitere Drehrate des Fahrzeugs zu ermitteln und die weitere Drehrate zur Ermittlung der Geschwindigkeitskomponente des Kraftfahrzeugs heranzuziehen.
Es ergibt sich aus der vorhergehenden Darstellung der Sensoreinrichtung, dass sich diese insbesondere für einen Einsatz in einem Kraftfahrzeug eignet. Neben der Sensoreinrichtung stellt die Erfindung zudem ein Kraftfahrzeug bereit, das eine Sensoreinrichtung der zuvor beschriebenen Art umfasst.
Die zuvor genannten und weitere Vorteile, Besonderheiten und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung werden auch anhand der Ausführungsbeispiele deutlich, die nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben werden.
Kurze Beschreibung der Figuren
Von den Figuren zeigt: Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit einer erfin- dungsgemäßen Sensoreinrichtung in einem Vertikalschnitt,
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit einer erfin- dungsgemäßen Sensoreinrichtung in einem Horizontalschnitt,
Fig. 3 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung des Funktionsprinzips einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung,
Fig. 4 eine schematische Veranschaulichung der Lage verschiedener Koordinatensysteme relativ zu dem Fahrzeug,
Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit drei Sensor- clustern in einem Horizontalschnitt,
Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit zwei Sensor- clustern in einem Horizontalschnitt,
Fig. 6a eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit einem Sen- sorcluster in einem Horizontalschnitt,
Fig. 7 eine schematische Darstellung eines Sensorclusters in einer Ausgestaltung, die eine Entfernungsmessung ermöglicht,
Fig. 8 ein Diagramm mit einer prinzipiellen Darstellung des zeitlichen Verlaufs einer modulierten Frequenz des von einer Lasereinheit emittierten Lichts,
Fig. 9 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit einem Sen- sorcluster und einem Drehratensensor und Fig. 10 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit zwei Sensor- clustern in einer weiteren Ausgestaltung.
Darstellung von Ausführungsbeispielen
In Figur 1 ist in einer schematischen Darstellung ein Kraftfahrzeug 101 gezeigt, das mit einem Sensorcluster 102 ausgerüstet ist, der mit einer in dem Fahrzeug 101 angeordneten Auswerteeinrichtung 110 verbunden ist. Das Kraftfahrzeug 101 umfasst eine Karosserie 105 und Räder 106. Bei dem Kraftfahrzeug 101 kann es sich beispielsweise um einen Personenkraftwagen oder einen Lastkraftwagen mit einer beliebigen Anzahl von Achsen und Rädern 106 handeln. Insoweit ist die Darstellung in der Figur rein beispielhaft zu verstehen. Bei der Auswerteeinrichtung 110 handelt es sich um eine elektronische Recheneinheit, die über einen Mikroprozessor zur Durchführung von Berechnungen verfügt und einen nichtflüchtigen Speicher aufweist, in dem Algorithmen und Parameter für die Durchführung der Berechnungen gespeichert sind. Der Sensorcluster 102 ist am Unterboden der Karosserie 105 angeordnet und umfasst drei Lasereinheiten 108a,b,c, von denen in Figur 1 nur eine Lasereinheit 108a dargestellt ist. Jede Lasereinheit 108a,b,c sendet einen Messlichtstrahl 103a,b,c unter einem Winkel α; (i = a,b,c) zum Unterboden des Fahrzeugs 101 in Richtung der Fahrbahnoberfläche 104 aus. Durch ein optisches Element 107a,b,c wird der Messlichtstrahl 103a,b,c gebündelt und auf einen Punkt der Fahrbahn 104 oder auf einen Punkt in der Nähe der Fahrbahnoberfläche 104 fokussiert. Der Messlichtstrahl 103a,b,c einer Lasereinheit 108a,b,c wird durch kohärentes Licht gebildet und beispielsweise in einem Halbleiterlaser erzeugt, der in einer Ausgestaltung als Vertical Cavity Surface Emitting Laser (VCSEL) ausgestaltet sein kann. Das Licht liegt vorzugsweise in einem unsichtbaren, insbesondere im infraroten Spektralbereich, so dass die Messlichtstrahlen 103a,b,c nicht sichtbar sind und Verkehrsteilnehmer nicht irritiert werden können. Alternativ kann jedoch auch Licht in einem anderen Spektralbereich erzeugt werden. Die Lasereinheiten 108a,b,c des Sensorclusters 102 sind so angeordnet, dass ihre Messlichtstrahlen 103a,b,c unterschiedliche Richtungen haben. In einer beispielhaften Konfi- guration schließen die Messlichtstrahlen 103a,b,c denselben Winkel α; mit dem Unterboden des Fahrzeugs ein, ihre Projektionen auf den Fahrzeugunterboden haben jedoch unterschiedliche Winkel δ; zur Fahrzeuglängsrichtung, wie es in Figur 2 schematisch veranschaulicht ist. Andere Konfigurationen sind jedoch selbstverständlich ebenfalls möglich.
Die grundsätzliche Funktionsweise der Lasereinheiten 108a,b,c wird beispielhaft anhand von Figur 3 für eine Lasereinheit 108i veranschaulicht, die exemplarisch für alle Lasereinheiten 108a,b,c des Sensorclusters 102 steht. Die La- sereinheit 108i umfasst einen Resonator 301 der Länge L , welcher durch einen vorderen teildurchlässigen Spiegel 302 und einen hinteren teildurchlässigen Spiegel 303 begrenzt wird. Der Messlichtstrahl 103i wird durch Licht gebildet, das durch den vorderen Spiegel 302 aus dem Resonator 301 in Richtung der Fahrbahnoberfläche 104 austritt. Die Länge der Strecke, die der Messlichtstrahl 103 zwischen dem Resonator 301 bzw. dem vorderen Spiegel 302 und der Fahrbahnoberfläche 104 zurücklegt, wird hier mit L0 bezeichnet. An der Fahrbahnoberfläche 104 wird der Messlichtstrahl 103 gestreut. Ein Teil des gestreuten Lichts wird als Streulichtstrahl 305 in entgegengesetzte Richtungen zu dem Messlichtstrahl 103i zurückreflektiert. Durch die optische Einrichtungen 107i gelangt der Streulichtstrahl 305 in den Resonator 301 und interferiert dort mit dem im Resonator 301 verstärkten Licht.
Bewegen sich der Resonator 301 und die Fahrbahnoberfläche 104 augrund einer Bewegung des Fahrzeugs 101 relativ zueinander mit einer Geschwindig- keitskomponente vLι in Richtung des Messlichtstrahls 103, dann erfährt der Streulichtstrahl 305 eine Doppler-Verschiebung. Hierbei handelt es sich um eine Veränderung der Frequenz des Lichts beziehungsweise der Wellenlänge in Abhängigkeit von der genannten Geschwindigkeitskomponente vLι . Aufgrund der Rückkopplung des Streulichtstrahls 305 in den Resonator 301 tritt innerhalb des Resonators 301 ein SeIf-M ixing-Effekt auf. Dies bedeutet, dass es zu einer Modulation der Laserverstärkung kommt, deren Frequenz von der Doppler- Verschiebung des Streulichtstrahls 305 abhängt und damit auch von der be- schriebenen Geschwindigkeitskomponente. Die zeitliche Veränderung Ag der Laserverstärkung in Abhängigkeit von der Geschwindigkeitskomponente vLl der Relativbewegung zwischen dem Resonator 301 und der Fahrbahnoberfläche 104 in Richtung des Messlichtstrahls 103i wird durch die folgende Gleichung beschrieben:
Ag = -- ■ cos(4 - π ■ /0 ■ vLl ■ t/c + 4 - π ■ L0 ■ fjc) (1 )
Hierin bezeichnet K einen laserspezifischen Kopplungskoeffizienten, der einen Wert zwischen Null und Eins besitzt, /0 die Frequenz des von der Lasereinheit 108i emittierten Lichts, c die Lichtgeschwindigkeit und t die Zeit. Gleichung (1 ) ergibt sich beispielsweise aus der Theorie des SeIf-M ixing-Effekts in M. H. Koe- link et al., "Laser Doppler velocimeter based on the self-mixing effect in a fibre- coupled semiconductor laser: theory", Applied Optics, Vol. 31 , 1992, Seiten 3401-3408.
Die periodische Modulation der Laserverstärkung führt zu einer entsprechenden periodischen Modulation der Intensität des von dem Resonator 301 emittierten Lichts. Aus der Frequenz, mit der sich die gemessene Intensität periodisch verändert, kann die Geschwindigkeitskomponente vLl ermittelt werden. Zur Messung der Intensität des von dem Resonator 301 emittierten Lichts ist die Fotodi- ode 306 vorgesehen, die Licht erfasst, das durch den hinteren Spiegel 303 aus dem Resonator 301 austritt. Üblicherweise wird eine solche Diode 306 zur Konstanthaltung bzw. Regelung der Intensität des Laserlichts verwendet und ist daher in der Regel bereits Bestandteil der Ausstattung von kommerziell erhältlichen Laserdioden. In der vorliegenden Anwendung wird die Fotodiode 306 mit der Auswerteeinrichtung 110 verbunden, die aus dem zeitlichen Verlauf der gemessenen Intensität die Frequenz der Intensitätsänderungen ermittelt und anhand dieser Frequenz die Geschwindigkeitskomponente vLι bestimmt.
Mittels der drei Lasereinheiten 108a,b,c des Sensorclusters 102 können somit drei Geschwindigkeitskomponenten vLl (i = a,b,c) ermittelt werden, die von der
Auswerteeinrichtung 110 ausgewertet werden. Für die vorzunehmende Auswer- tung ist es günstig, ein Sensorkoordinatensystem 401 zu betrachten, das in Figur 4 veranschaulicht ist. Bei dem Sensorkoordinatensystem 401 handelt es sich um ein rechtwinkliges Koordinatensystem, dessen Ursprung in einem Messzeitpunkt mit dem Montageort des Sensorclusters 102 zusammenfällt. Das Sensorkoordinatensystem 401 ist also ein raumfestes Koordinatensystem, das im Messzeitpunkt fahrzeugfest initialisiert wird. Beispielsweise zeigt die xs- Achse des Sensorkoordinatensystems in Fahrzeuglängsrichtung nach vorne, die ys-Achse in Fahrzeugquerrichtung nach links und die zs-Achse in Fahrzeughochrichtung nach oben. Andere Ausrichtungen des Sensorkoordinatensystems 401 sind jedoch gleichfalls möglich. Neben dem Sensorkoordinatensystem 401 ist in Figur 4 zudem das Schwerpunktsystem 402 des Fahrzeugs 101 dargestellt, dessen Ursprung im Messzeitpunkt im Fahrzeugschwerpunkt CM initialisiert wird. Wie bei dem Sensorkoordinatensystem 401 zeigt die Xv-Achse des Schwerpunktsystems 402 in Fahrzeuglängsrichtung nach vorne, die yv-Achse in Fahrzeugquerrichtung nach links und die zv-Achse in Fahrzeughochrichtung nach oben. Das Schwerpunktsystem 402 ist also gegenüber dem Sensorkoordinatensystem 401 entlang der Verbindungslinie zwischen dem Sensorcluster 102 und dem Fahrzeugschwerpunkt CM verschoben und gedreht.
Im Sensorkoordinatensystem 401 können die Richtungen H1 der Messlichtstrahlen 103a,b,c des Sensorclusters 102 durch die Winkel α; und δ; angegeben werden, die sich aus der festen Einbaulage des Sensorclusters 102 ergeben und als Parameter im nichtflüchtigen Speicher der Auswerteeinrichtung 110 gespeichert werden können und in den Figuren 1 und 2 veranschaulicht sind. Dabei gilt für die Richtungen:
Figure imgf000016_0001
Die mittels des Sensorclusters 102 gemessenen Geschwindigkeitskomponenten entsprechen den Komponenten der Geschwindigkeit v des Sensorclusters 102 entlang dieser Richtungen, d.h., unter Verwendung des Skalarprodukts gilt vLl = v - nt (i = a,b,c) (3)
Aus den entsprechenden Gleichungen für die drei Geschwindigkeitskomponen- ten vLa , vLb und vLc , die mit den Lasereinheiten 108a,b,c des Sensorclusters 102 ermittelt werden können, ergibt sich ein lineares Gleichungssystem, aus dem in der Auswerteeinrichtung 110 die Komponenten des Geschwindigkeitsvektors v = (vx,vy,vz ) entlang der drei Achsen des Sensorkoordinatensystems 401 ermittelt werden können. Diese entsprechen den Komponenten der Geschwindigkeit des Sensorclusters 102 im Schwerpunktsystem 402, da dieses lediglich gegenüber dem Sensorkoordinatensystem 401 verschoben und ge- dreht ist. Aus der Geschwindigkeit v ermittelt die Auswerteeinrichtung 110 die Translationsgeschwindigkeit vCM des Fahrzeugschwerpunkts CM, bezogen auf das Sensorkoordinatensystem 401 bzw. auf das Schwerpunktsystem 402. Dies geschieht unter Verwendung der an sich bekannten Beziehung v = vCM -ώ xx (4)
Dabei bezeichnet x den Verbindungsvektor ausgehend vom Sensorcluster 102 zum Fahrzeugschwerpunkt CM. Um die Auswerteeinrichtung 110 dazu zu befähigen, die Schwerpunktgeschwindigkeit vCM zu berechnen, werden die Komponenten des Verbindungsvektors x zwischen dem Sensorcluster 102 und dem Fahrzeugschwerpunkt CM in einer Ausführungsform als Parameter in dem nichtflüchtigen Speicher der Auswerteeinrichtung 110 hinterlegt, nachdem sie zuvor für einen typischen Beladungszustand des Fahrzeugs 101 bestimmt worden sind. Veränderungen der Lage des Schwerpunkts CM aufgrund einer veränderten Beladung werden in dieser Ausgestaltung vernachlässigt. Die in Gleichung (4) enthaltene Größe ώ = [d$/dt ,dθ/dt
Figure imgf000017_0001
bezeichnet die Winkelge- schwindigkeit des Fahrzeugs 101 , bei deren Komponenten es sich um die Wankrate d$/dt des Fahrzeugs 101 , die Nickrate dθ/dt des Fahrzeugs 101 und die Gierrate
Figure imgf000017_0002
des Fahrzeugs 101 handelt.
Da das Sensorkoordinatensystem 401 und das Schwerpunktsystem 402 fahr- zeugfest initialisiert werden, sind die xy-Ebenen dieser Systeme aufgrund von
Wank- und Nickbewegungen der Fahrzeugkarosserie 105 gegenüber der Fahr- bahnoberfläche 104 um den aktuellen Nick- und Wankwinkel gedreht. Üblicherweise wird der fahrdynamische Zustand des Fahrzeugs 101 jedoch durch Geschwindigkeitskomponenten, insbesondere eine Fahrzeuglängsgeschwindigkeit vC h M x und eine Fahrzeugquergeschwindigkeit vC h M y charakterisiert, die auf ein horizontiertes System bezogen werden. Hierbei handelt es sich um ein Koordinatensystem, dessen xy-Ebene parallel zur Fahrbahnebene verläuft oder in der Fahrbahnebene liegt. Üblicherweise wird ein horizontiertes System verwendet, dessen Ursprung im Betrachtungszeitpunkt lotrecht unterhalb des Schwerpunkts CM des Fahrzeugs 101 in der Fahrbahnebene initialisiert wird. Die x-Achse verläuft in der Fahrbahnebene entlang der Fahrzeuglängsrichtung nach vorne, die y-Achse verläuft in der Fahrbahnebene 104 entlang der Fahrzeugquerrichtung nach links, die z-Achse verläuft senkrecht zur Fahrbahnoberfläche 104 entlang der Fahrzeughochrichtung nach oben. Zwischen der Schwerpunktgeschwindigkeit vCM bezogen auf das Schwerpunktsystem 402 und der auf das horizontierte System bezogenen Schwerpunktgeschwindigkeit VCM = {vcM,x > vcM,y > vcM,z ) besteht der folgende Zusammenhang : vCM = Sγ (θ )SX (φ ψCM bzw. V^ = SA-Q )SX (- φ )ϊCM (5)
Hierbei beschreibt die Matrix Sy (θ ) eine Drehung um die momentane y-Achse um den Nickwinkel θ und die Matrix Sx (φ) eine Drehung um die momentane x- Achse um den Wankwinkel φ , und es gilt:
Figure imgf000018_0001
Zur Bestimmung der Schwerpunktgeschwindigkeit vCM im Schwerpunktsystem 402 ist somit die Kenntnis der Drehraten des Fahrzeugs 101 , d.h., der Gierrate, der Wankrate und der Nickrate, erforderlich, und die Ermittlung der Schwerpunktgeschwindigkeit im horizontierten System vC h M erfordert darüber hinaus die Kenntnis des Wankwinkels und des Nickwinkels des Fahrzeugs 101. Zur Bestimmung der Bewegung des Fahrzeugs entsprechend seiner drei translatorischen und drei rotatorischen Freiheitsgrade werden in einer Ausführungsform, die in Figur 5 schematisch anhand eines Blockdiagramms veranschaulicht ist, drei Sensorcluster 102a,b,c der zuvor beschriebenen Art eingesetzt, die mit der Auswerteeinrichtung 110 verbunden werden. Die Sensorcluster 102a,b,c sind am Unterboden des Fahrzeugs 101 angeordnet. Die Anordnung wird zudem derart gewählt, dass die Sensorcluster 102a,b,c nicht auf einer Geraden und vorzugsweise nicht in einer Ebene angeordnet sind. Für jeden Sensorcluster 102a,b,c kann, wie zuvor beschrieben, in der Auswerteeinrichtung 110 die Geschwindigkeit V1 (i = a,b,c) des Sensorclusters 102 bezogen auf das Schwerpunktsystem 402 ermittelt werden. Aus dem Vergleich der Geschwindigkeiten V1 untereinander bestimmt die Auswerteeinrichtung 110 dann die Wankrate, die Nickrate und die Gierrate des Fahrzeugs 101. Für den Vergleich zweier Geschwindigkeiten V1 gilt dabei die folgende Gleichung, welche für die Auswertung herangezogen wird, und die beispielsweise aus Gleichung (4) erhalten werden kann:
V1 - Vj = (U X r1J (i,j = a,b,c) (7)
Hierbei bezeichnet ry = rt - r} den Verbindungsvektor zwischen dem Sensorcluster i und dem Sensorcluster j. Für die Paare {i,j) = {a,b),{a,c),{b,c) führt Gleichung (7) auf drei Vektorgleichungen. Diese entsprechen einem Gleichungssystem mit 9 Gleichungen, aus denen drei Gleichungen ausgewählt werden, anhand derer die Auswerteeinrichtung 110 die Drehraten des Fahrzeugs 101 ermittelt. Die Drehraten werden dann von der Auswerteeinrichtung 110 herangezogen, um die Schwerpunktgeschwindigkeit vCM des Fahrzeugs 101 im Schwerpunktsystem 402 zu bestimmen. Dies geschieht anhand von Gleichung (4) unter Verwendung der für einen Sensorcluster 102a,b,c ermittelten Geschwindigkeit V1 (i = a,b,c). Alternativ können auch zunächst zwei oder drei Werte für die Schwerpunktgeschwindigkeit vCM unter Heranziehung der für die weiteren Sensorcluster 102a,b,c ermittelten Geschwindigkeit V1 bestimmt werden, und die Schwerpunktgeschwindigkeit vCM kann aus den einzelnen Werten abgeleitet werden. Dies erhöht die Genauigkeit der Geschwindigkeits- bestimmung und erlaubt eine Plausibilitätsprüfung, bei der die drei ermittelten Werte miteinander verglichen werden, um bei zu großen Abständen eine fehlerhafte Messung festzustellen.
Darüber hinaus können durch eine zeitliche Integration der Wankrate und der Nickrate der Wankwinkel und der Nickwinkel ermittelt werden. Die Integration kann beispielsweise bei einem der Auswerteeinrichtung 110 gemeldeten Zündungsstart begonnen und unter Zugrundelegung der Voraussetzung durchgeführt werden, dass Wankwinkel und Nickwinkel beim Zündungsstart den Wert Null aufweisen. Unter Verwendung des Wankwinkels und des Nickwinkels bestimmt die Auswerteeinrichtung 110 in dieser Ausgestaltung, basierend auf Gleichung (5) die Fahrzeuglängsgeschwindigkeit vC h M x und die Fahrzeugquergeschwindigkeit vC h M y sowie gegebenenfalls die Vertikalgeschwindigkeit vC h M z des Fahrzeugschwerpunkts CM im hohzontierten System.
Ausgangssignale der mit den drei Sensorclustern 102a,b,c verbundenen Auswerteeinrichtung 110 sind beispielsweise die Komponenten der Translationsgeschwindigkeit vCM des Fahrzeugschwerpunkts im Schwerpunktsystem 402, die bei geringen Wank- und Nickbewegungen des Fahrzeugs 101 gute Nähe- rungswerte für die Translationsgeschwindigkeit vC h M im horizontierten System darstellen. Falls eine Bestimmung der Drehwinkel des Fahrzeugs 101 durch Integration der Drehraten vorgesehen ist, kann von der Auswerteeinrichtung 110 auch die Geschwindigkeit vC h M im horizontierten System als Ausgangsgröße ausgegeben werden. Weitere Ausgangsgrößen stellen die drei ermittelten Drehraten des Fahrzeugs 101 dar.
Eine weitere Ausführungsform, die in Figur 6 schematisch veranschaulicht ist, unterscheidet sich von der zuvor beschriebenen Ausgestaltung dadurch, dass anstelle von drei Sensorclustern 102a,b,c lediglich zwei Sensorcluster 102a,b eingesetzt werden, die beabstandet voneinander am Unterboden der Fahrzeugkarosserie 105 montiert sind. Zusätzlich wird jedoch ein Drehratensensor 601 vorgesehen, dessen Messsignale der Auswerteeinrichtung 110 neben den Messsignalen der Sensorcluster 102a,b zugeführt werden, so dass eine Drehrate des Fahrzeugs 101 direkt gemessen wird. Die nicht direkt gemessenen Drehraten werden bei dieser Ausgestaltung aus den für die Sensorcluster 102a,b ermittelten Geschwindigkeiten va und vb , die in der Auswerteeinrichtung 110 in der zuvor beschriebenen Weise bestimmt werden, und aus der gemessenen Drehrate bestimmt. Dabei wird entsprechend Gleichung (5) die Beziehung va - vb =ώ x fab für die Differenz der auf das Schwerpunktsystem 402 bezogenen Geschwindigkeiten va und vb herangezogen. Diese Vektorgleichung um- fasst drei Gleichungen, von denen zwei zur Bestimmung der Drehraten heran- gezogen werden, die nicht mittels des Drehratensensors 601 gemessen werden. Nachdem die verbleibenden Drehraten berechnet worden sind, bestimmt die Auswerteeinrichtung 110 anhand der für einen Sensorcluster 102a,b oder beide Sensorcluster 102a, b ermittelten Geschwindigkeiten va und vb die Translationsgeschwindigkeit vCM des Fahrzeugschwerpunkts CM bezogen auf das Schwerpunktsystem 402 analog wie in der zuvor unter Bezugnahme auf Figur 5 beschriebenen Ausgestaltung. Wie bei dieser Ausgestaltung können durch eine zeitliche Integration der Wankrate und der Nickrate zudem Wank- und Nickwinkel des Fahrzeugs 101 ermittelt werden.
Bei dem Drehratensensor 601 handelt es sich vorzugsweise um einen Gierratensensor, da die Gierrate den größten Einfluss auf die Fahrdynamik besitzt und daher eine von anderen Größen unabhängige, direkte Messung der Gierrate vorteilhaft ist. Zudem dient die Gierrate üblicherweise als eine Eingangsgröße von Fahrdynamikregelsystemen, so dass es auch insoweit vorteilhaft ist, diese Größe direkt zu messen. Gleichfalls kann jedoch anstelle des Gierratensensors auch ein Wankratensensor oder ein Nickratensensor eingesetzt werden. Der verwendete Drehratensensor kann in einer dem Fachmann an sich bekannten Art ausgestaltet sein, insbesondere als ein an sich bekannter mikromechanischer Drehratensensor.
Ausgangssignale der Auswerteeinrichtung 110 sind in dieser Ausgestaltung beispielsweise die Komponenten der Translationsgeschwindigkeit vCM des Fahrzeugschwerpunkts im Schwerpunktsystem 402 oder - falls eine Bestimmung der Drehwinkel des Fahrzeugs 101 durch Integration der Drehraten vorgesehen ist - Translationsgeschwindigkeit vC h M im horizontierten System. Weitere Ausgangsgrößen sind die zwei Drehraten des Fahrzeugs 101 , die nicht direkt mittels des Drehratensensors 601 gemessen werden. Bei Verwendung eines Gierratensensors sind dies die Wankrate und die Nickrate des Fahrzeugs 101.
Bei Vernachlässigung von Wank- und Nickbewegungen des Fahrzeugs 101 kann auch eine Sensorkonfiguration mit einem Geschwindigkeitscluster 102 und einem Drehratensensor 601 eingesetzt werden, um die zuvor genannten Größen näherungsweise zu bestimmen. Diese Sensorkonfiguration ist schematisch in Figur 6a dargestellt. Bei dem Drehratensensor 601 handelt es sich aus den zuvor bereits genannten Gründen vorzugsweise um einen Gierratensensor.
Solange das Fahrzeug 101 höchstens kleinen Längs- und Querbeschleunigungen ausgesetzt ist, sind Wank- und Nickbewegungen des Fahrzeugs 101 klein. In einer weiteren Ausgestaltung kann es daher vorgesehen sein, Wank- und Nickbewegungen der Fahrzeugkarosserie 105 aufgrund eines Einfederns zu vernachlässigen, so dass Wank- und Nickwinkel sowie Wank- und Nickrate des Fahrzeugs 101 mit dem Wert Null angesetzt werden können. In dieser Ausgestaltung wird das Kraftfahrzeug 101 mit einem Sensorcluster 102 und einem Gierratensensor ausgerüstet, dessen Messsignale der Auswerteeinrichtung zusätzlich zu den Messsignalen des Sensorcluster 102 als Eingangssignale zugeführt werden. Aus den Messsignalen des Sensorclusters 102 bestimmt die Auswerteeinrichtung 110 dabei die Geschwindigkeit v des Sensorclusters. Dann wird unter Heranziehung der Gierrate dy /dt ein Näherungswert für die Translationsgeschwindigkeit vCM des Fahrzeugschwerpunkts CM ermittelt. Dies geschieht gemäß der Beziehung
Figure imgf000022_0001
die aus Gleichung (4) unter Vernachlässigung von Wankrate und Nickrate des Fahrzeugs 101 gewonnen wird. Die Größe x bezeichnet hier die x-Komponente des Vektors x im Sensorkoordinatensystem 401 , d.h. den in Fahrzeuglängsrichtung gemessenen Abstand des Fahrzeugschwerpunkts CM vom Sensorc- luster 102 die Größe y bezeichnet die y-Komponenten des Vektors x im Sensorkoordinatensystem 401 , d.h. den in Fahrzeugquerrichtung gemessenen Abstand des Fahrzeugschwerpunkts CM vom Sensorclusters 102. Die Ausgangssignale der Auswerteeinrichtung 110 umfassen in dieser Ausgestaltung die Komponenten der genäherten Translationsgeschwindigkeit vCM des Fahrzeug- Schwerpunkts CM im Schwerpunktsystem 402, die zugleich als Näherungswerte für die Komponenten der Schwertpunktgeschwindigkeit vC h M im hohzontierten System herangezogen werden können.
In einer Ausgestaltung kann der Sensorclusters 102 auch im Schwerpunkt CM des Fahrzeugs 101 oder lotrecht unterhalb des Schwerpunkts CM des Fahrzeugs 101 angebracht werden. In diesem Fall können unter Vernachlässigung von Nick- und Wankbewegungen des Fahrzeugs 101 direkt die translatorischen Geschwindigkeiten gemessen werden, es müssen keine rotatorischen Komponenten mehr berücksichtigt werden.
Gleichfalls kann das Fahrzeug 101 zusätzlich zu dem Gierratensensor mit einem Wankratensensor und/oder mit einem Nickratensensor ausgerüstet werden, so dass neben der Gierrate weitere Drehraten gemessen und bei der Berechnung der Translationsgeschwindigkeit vCM des Fahrzeugschwerpunkts CM berücksichtigt werden können. Durch eine zeitliche Integration der gemessenen Drehraten können zudem die entsprechenden Drehwinkel ermittelt und zur Bestimmung der Fahrzeuggeschwindigkeit vC h M im hohzontierten System aus der Geschwindigkeit vCM im Schwerpunktsystem 402 verwendet werden, so dass von der Auswerteeinrichtung 110 die Komponenten der Fahrzeuggeschwindig- keit vC h M im hohzontierten System ausgegeben werden können. In weiteren Ausführungsformen wird ebenfalls ein Sensorcluster 102 der zuvor beschriebenen Art verwendet. Zusätzlich wird eine Einrichtung vorgesehen, mit der Wank- und Nickwinkel der Fahrzeugkarosserie 105 bestimmt werden. Zur Ermittlung des Wankwinkels und des Nickwinkels können dabei insbesondere Wegsensoren an Federelementen eines Fahrwerks des Fahrzeugs 101 vorgesehen werden, welche die Fahrzeugkarosserie 105 gegenüber den Rädern 106 abstützen. Die Wegsensoren sind dabei jeweils einem Federelement zugeordnet und messen den Weg, um den die Karosserie105 an dem entsprechenden Federelement einfedert. Bei einem vierrädrigen Fahrzeug 101 werden mindes- tens drei Wegsensoren an jeweils einem Fahrzeugrad 106 vorgesehen, um die genannten Größen in einer dem Fachmann bekannten Weise zu bestimmen. Ein vierter Wegsensor ermöglicht eine redundante Ermittlung der Größen, so dass eine genauere Bestimmung möglich ist. Aus den von den Wegsensoren gemessenen Federwegen ermittelt die Auswerteeinrichtung 110, der die Mess- Signale der Wegsensoren zugeführt werden, den Wankwinkel und den Nickwinkel des Fahrzeugs 101. Ferner können in der Auswerteeinrichtung 110 durch zeitliche Ableitung des Wankwinkels und des Nickwinkels die Wankrate und die Nickrate des Fahrzeugs 101 ermittelt werden. Diese werden dann herangezogen, um aus der ermittelten Geschwindigkeit v des Sensorclusters 102 die Translationsgeschwindigkeit vCM des Fahrzeugschwerpunkts CM unter Verwendung der Beziehung (4) zu bestimmen. Auf der Grundlage des ermittelten Wankwinkels und des ermittelten Nickwinkels kann die Fahrzeuggeschwindigkeit vC h M im horizontierten System berechnet werden. Ausgangssignale der Auswerteeinrichtung 110 stellen damit in dieser Ausgestaltung die Komponen- ten der Fahrzeuggeschwindigkeit vC h M im horizontierten System, die Drehraten des Fahrzeugs 101 sowie gegebenenfalls die Drehwinkel des Fahrzeugs 101 dar.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht die Verwendung eines schema- tisch in Figur 7 veranschaulichten Sensorclusters 701 vor, der gegenüber den zuvor beschriebenen Clustern modifiziert ist, um neben den Geschwindigkeitskomponenten in Richtung der Messlichtstrahlen 703a, b,c auch die Entfernun- gen zu bestimmen, welche die Messlichtstrahlen 703a, b,c zwischen dem Sen- sorcluster 701 und der Fahrbahnoberfläche 104 zurücklegen. Der modifizierte Cluster 701 wird im Folgenden als Abstandscluster bezeichnet, während der zuvor beschriebene Sensorcluster 102 zur Geschwindigkeitsmessung zur Ab- grenzung von dem Abstandscluster im Folgenden als Geschwindigkeitscluster bezeichnet wird. Wie der Geschwindigkeitscluster 102 wird der Abstandscluster 701 am Unterboden der Fahrzeugkarosserie 105 montiert. Er umfasst ebenfalls drei Lasereinheiten 702a, b,c, die mit einer Auswerteeinrichtung 704 verbunden sind und Messlichtstrahlen 703a, b,c in verschiedene Richtung aussenden, wel- che an der Fahrbahnoberfläche 104 reflektiert werden. Die Lasereinheiten 703a, b, c des Abstandsclusters 701 können grundsätzlich so ausgestaltet sein, wie die Lasereinheiten 108a,bc des Geschwindigkeitsclusters. Im Unterschied zu dem Geschwindigkeitscluster 102 ist die Frequenz des von den Lasereinheiten 702a, b,c emittierten Lichts jedoch veränderbar. Die Veränderung wird dabei vorzugsweise durch eine Veränderung des durch die Laserdioden fließenden Stroms herbeigeführt, die mittels einer Steuereinrichtung 705 durchgeführt wird.
Wie bei dem Geschwindigkeitscluster 102 wird bei dem Abstandscluster 701 Licht, das von einer Lasereinheit 702i ausgesendet wird, an der Fahrbahnober- fläche 104 gestreut und teilweise zu der Lasereinheit 702i zurückreflektiert. Das zurückreflektierte Licht wird in den Resonator der entsprechenden Lasereinheit 702i zurückgekoppelt und interferiert in dem Resonator der Lasereinheit 702i mit dem dort erzeugten Licht. Dies führt zum Auftreten eines SeIf-M ixing-Effekts in dem Resonator, der zu einer Modulation der Intensität des von der Laserdio- de ausgesandten Lichts führt, die mit einer Photodiode erfasst wird. Die Modulation des Stroms der Photodiode hat dabei eine Frequenz, die der Differenz der Frequenzen des zurückreflektierten Laserlichts und des Laserlichts im Resonator entspricht, sofern diese Differenzfrequenz von der Fotodiode aufgelöst werden kann.
Um mithilfe einer Lasereinheit 702i des Abstandsclusters 701 neben der Geschwindigkeitskomponente vLι die Entfernung dLι zu bestimmen, die der zuge- hörige Messlichtstrahl 703i zwischen der Lasereinheit 702i bzw. dem enthaltenen Resonator und der Fahrbahnoberfläche zurücklegt, wird die Frequenz des ausgesandten Laserlichts nach dem an sich bekannten FMCW-Prinzip moduliert (FMCW: Frequency Modulated Continuous Wave). Die Frequenzmodulati- on erfolgt durch eine entsprechende Veränderung des durch die Laserdiode fließenden Stroms mittels der Steuerungseinrichtung 705. In einer Ausgestaltung ist eine lineare Modulation nach einer Dreiecksfunktion vorgesehen, wie schematisch in dem Diagramm in Figur 8 anhand der durchgezogenen Linie dargestellt. In dem Diagramm ist die Frequenz / gegenüber der Zeit t aufge- tragen. Gegenüber der momentanen Frequenz des Messlichtstrahls 703i ist die Frequenz des zurückreflektierten Signals, deren zeitlicher Verlauf in dem Diagramm in Figur 8 anhand der gestrichelten Linie dargestellt ist, verschoben. Die Frequenzverschiebung δ/ = /Ä -fτ zwischen der Frequenz fR des reflektierten und der Frequenz fτ des ausgesendeten Lichts umfasst einen ersten Anteil /τ der sich aufgrund der Laufzeit des zurückreflektierten Lichts ergibt und einen zweiten Anteil fD der auf die Dopplerverschiebung des zurückreflektierten Lichts zurückzuführen ist. Bei ansteigender Frequenz des Messlichtstrahls 703i ergibt sich die Frequenzverschiebung 5Z1 aus der Differenz des Doppleranteils fD und dem ersten Anteil /τ , so dass gilt: SA = fD - fτ (9)
Bei sich verringernder Frequenz ergibt sich die Frequenzverschiebung δ/2 aus der Summe beider Anteile, d.h., es gilt:
Figure imgf000026_0001
Damit können beide Anteile der Frequenzverschiebung durch eine Auswertung der Differenzfrequenz während ansteigender Frequenz und abnehmender Frequenz ermittelt werden. Es gilt dabei:
Figure imgf000026_0002
/τ =l(#2 -δ/; ) (12) Aus den Gleichungen (11 ) und (12) können mittels der Lasereinheit 702i die Geschwindigkeitskomponente vLl und die Entfernung dLl ermittelt werden. Für die Geschwindigkeitskomponente vLl gilt dabei
v* = -^ (13)
wobei mit λ die Wellenlänge des emittierten Laserlichts bezeichnet wird, und für die Entfernung dLι gilt:
dLι = fτ ' c ' T (14)
^ ' J Hub wobei fHub den Frequenzhub bezeichnet, d.h., die Differenz zwischen dem Minimum und dem Maximum der modulierten Frequenz, und T die Periodendauer der Frequenzmodulation.
Mit dem Abstandscluster 102 können, wie zuvor beschrieben, neben den Abständen dLι als auch Geschwindigkeiten vLι bestimmt werden. Die mittels des Abstandsclusters 701 ermittelten Geschwindigkeitskomponenten vLl (i = a,b,c) entsprechen denjenigen, die auch mittels des Geschwindigkeitsclusters 102 bestimmt werden können. Daher kann ein einzelner Sensorcluster 701 für die Bestimmung von Geschwindigkeiten vLι und Abständen dLι eingesetzt werden.
Gleichfalls kann es jedoch vorgesehen sein, dass zur Bestimmung dieser Grö- ßen anstelle eines einzigen Sensorclusters ein Abstandscluster 701 verwendet wird, mit dem die Abstände dLι erfasst werden, und zur Bestimmung der Geschwindigkeiten vLl ein separater Geschwindigkeitscluster 102 der zuvor beschriebenen Art eingesetzt wird. Der Abstandscluster 701 und der Geschwindigkeitscluster 102 können bei dieser Ausgestaltung in einem gemeinsamen Gehäuse integriert sein. Ferner können beide Sensorcluster 701 , 102 über eine gemeinsame Auswerteeinrichtung 704 verfügen.
Die mithilfe einer Lasereinheit 702i des Abstandsclusters 701 ermittelte Entfernung entspricht dem Betrag eines Verbindungsvektors dLι zwischen dem Abstandscluster 701 und dem Punkt der Fahrbahnoberfläche 104, an dem der entsprechende Messlichtstrahl 703a, b,c auftrifft. Der Verbindungsvektor ist gegeben durch dLl = dLl - nLl , wobei der Vektor nLi , wie in Gleichung (2) für die Messlichtstrahlen 103a,b,c angegeben, die die Richtungen der Messlichtstrahlen 703a, b,c beschreibt. Die drei Verbindungsvektoren dLa , dLb und dLc span- nen eine Ebene auf, die der Fahrbahnebene entspricht. Somit kann die Auswerteeinrichtung 704 aus den ermittelten Abständen dLa , dLb und dLc insbesondere die Drehwinkel zwischen der xy-Ebene des Sensorkoordinatensystems 401 und der Fahrbahnebene bestimmen. Diese Drehwinkel entsprechen dem Wankwinkel und dem Nickwinkel der Fahrzeugkarosserie 105, da die Fahr- bahnebene parallel zur xy-Ebene des horizontierten Koordinatensystems ausgerichtet ist.
In einer Ausgestaltung kann zur Bestimmung der Drehwinkel beispielsweise ein Normaleneinheitsvektor der durch die Messlichtstrahlen 703a, b,c aufgespann- ten Ebene bestimmt werden. Einen solchen Normaleneinheitsvektor erhält man unter Verwendung des Vektorprodukts beispielsweise durch jj (1 5)
Figure imgf000028_0001
wobei mit \\\\ der Absolutbetrag bezeichnet wird. Der Normaleneinheitsvektor H entspricht einem Einheitsvektor des horizontierten Systems in z-Richtung, an- gegeben im Sensorkoordinatensystem 401. Demnach gilt: ez = Sy {-% )Sx{-§)H (16)
In dieser Gleichung bezeichnet ez = (θ,O,l)r den Einheitsvektor in z-Richtung im Sensorkoordinatensystem 401. Die Vektorgleichung (16) umfasst ein Gleichungssystem zur Bestimmung des Wankwinkels φ und des Nickwinkels θ der Fahrzeugkarosserie 105. Unter Verwendung von H = (A15A25A3 ) ergibt sich dabei als Lösung:
A φ = arctan— (17)
θ = (18)
Figure imgf000028_0002
In Gleichung (18) ist die x-Komponente von H in der physikalischen Einheit einzusetzen, in der die Normierung für H durchgeführt worden ist, die beispielsweise in Zentimetern oder Metern erfolgt sein kann.
Nachdem die Auswerteeinrichtung 704 anhand der Messsignale des Abstands- clusters 701 den Wankwinkel und den Nickwinkel des Fahrzeugs 101 bestimmt hat, werden durch zeitliche Ableitung des Wankwinkels und des Nickwinkels die Wankrate und die Nickrate des Fahrzeugs 101 berechnet. Um die Schwerpunktgeschwindigkeit im Schwerpunktsystem 402 oder im horizontierten Sys- tem zu bestimmen, ist neben der Wankrate und der Nickrate zudem die Kenntnis der Gierrate des Fahrzeugs 101 erforderlich. Diese wird in einer Ausgestaltung, die in Figur 9 schematisch anhand eines Blockdiagramms veranschaulicht wird, mittels eines Gierratensensors 901 erfasst. In einer weiteren Ausgestaltung, die in Figur 10 in einem schematischen Blockdiagramm gezeigt ist, wird zusätzlich zu dem Abstandscluster 701 ein weiterer Sensorcluster verwendet, der beabstandet von dem Abstandscluster am Unterboden der Fahrzeugkarosserie 105 angebracht wird. Bei dem zusätzlich verwendeten Sensorcluster kann es sich um einen weiteren Abstandscluster 701 b oder um einen Geschwindig- keitscluster 102 handeln. Mittels des zusätzlichen Sensorclusters wird die Ge- schwindigkeit dieses Sensorclusters ermittelt, so dass zwei Geschwindigkeiten vorliegen: die Geschwindigkeit vLa des Abstandsclusters 701 und die Geschwindigkeit vLb des zusätzlichen Sensorclusters. Unter Heranziehung der Wankrate und/oder der Nickrate des Fahrzeugs 101 lässt sich aus diesen beiden Gleichungen in der zuvor bereits beschriebenen Weise die Gierrate aus der Beziehung
Vi8 - Vu = (O x ^ (19) berechnen, wobei mit rab der Verbindungsvektor vom Abstandscluster 701 zu dem zusätzlichen Sensorcluster bezeichnet wird.
Basierend auf der Wankrate, der Nickrate und der Gierrate berechnet die Auswerteeinrichtung 704 dann aus der mittels des Abstandsclusters 102 bestimm- ten Geschwindigkeit vLa und/oder der mittels des zusätzlichen Sensorclusters ermittelten Geschwindigkeit vLb die Geschwindigkeit vCM des Fahrzeugschwerpunkts CM unter Verwendung der Beziehung (4). Auf der Grundlage des mithil- fe des Abstandsclusters 701 ermittelten Wankwinkels und des ermittelten Nick- winkeis kann in einem weiteren Schritt aus der Geschwindigkeit vCM die Fahrzeuggeschwindigkeit vC h M im horizontierten System in der Auswerteeinrichtung 704 berechnet werden. Ausgangssignale der Auswerteeinrichtung 704 stellen damit in dieser Ausgestaltung die Komponenten der Fahrzeuggeschwindigkeit vC h M im horizontierten System, die Drehraten des Fahrzeugs 101 sowie gege- benenfalls die Drehwinkel des Fahrzeugs 101 dar.
Die zuvor beschriebenen Sensorkonfigurationen haben gemeinsam, dass von der Auswerteeinrichtung 110, 704 entweder die Fahrzeuggeschwindigkeit vC h M im zentrierten System bestimmt werden kann oder die Geschwindigkeit vCM des Fahrzeugs 101 im Schwerpunktsystem 402 ermittelt wird, die näherungsweise der Geschwindigkeit vC h M im horizontierten Koordinatensystem entspricht. Die ermittelten Geschwindigkeitskomponenten können direkt durch weitere Systeme des Fahrzeugs 101 verwendet werden, wie beispielsweise Systeme zur Fahrerinformation oder Regelsysteme, wie etwa einer Fahrdynamikregelung. Darüber hinaus sind aus den ermittelten Größen weitere fahrdynamische Größen ableitbar, die in weiteren Fahrzeugsystemen verwendet werden können. Insbesondere kann aus der Fahrzeugquergeschwindigkeit vC h M y durch zeitliches Ableiten die Querbeschleunigung des Fahrzeugs 101 berechnet werden, so dass kein zusätzlicher Querbeschleunigungssensor benötigt wird, der ein üblicher Bestandteil herkömmlicher Fahrdynamikregelsysteme ist. Darüber hinaus lässt sich aus der Fahrzeuglängsgeschwindigkeit vC h M x und der Fahrzeugquergeschwindigkeit vC h M y der Schwimmwinkel ß des Fahrzeugs 101 ermitteln, für den gilt:
ß = arctan^^ (20)
Der Schwimmwinkel eignet sich besonders gut für die Charakterisierung des Fahrzustands, insbesondere in kritischen Fahrsituationen, und kann daher bei- spielsweise von Fahrdynamikregelungen zur Stabilisierung des Fahrzeugs 101 herangezogen werden. Mit herkömmlicher Sensorik lässt sich der Schwimmwinkel jedoch nicht zuverlässig ermitteln, so dass die Durchführung von Fahrdynamikregelungen anhand der vorliegenden Erfindung aufgrund der Bereitstel- lung des Schwimmwinkels deutlich verbessert werden kann.
Darüber hinaus können in einigen zuvor beschriebenen Konfigurationen die Gierrate und die Wankrate sowie die Nickrate des Fahrzeugs 101 ermittelt werden. Diese Größen können ebenfalls weiteren Einrichtungen des Fahrzeugs 101 zur Verfügung gestellt werden. Beispielhaft sind dabei wiederum Fahrdynamikregelungen zu nennen, in deren Regelalgorithmen diese Größen einfließen können, oder Fahrwerksregelungen sowie weitere Fahrerassistenz- und passive Sicherheitssysteme, die beispielsweise Wank- und/oder Nickbewegungen der Fahrzeugkarosserie 105 ausregeln.
Obwohl die Erfindung in den Zeichnungen und der vorausgegangenen Darstellung im Detail beschrieben wurde, sind die Darstellungen illustrativ bzw. beispielhaft und nicht einschränkend zu verstehen; insbesondere ist die Erfindung nicht auf die erläuterten Ausführungsbeispiele beschränkt. Weitere Varianten der Erfindung und ihre Ausführung ergeben sich für den Fachmann aus der vorangegangenen Offenbarung, den Figuren und den Patentansprüchen. In den Patentansprüchen verwendete Begriffe wie "umfassen", "aufweisen", "beinhalten", "enthalten" und dergleichen schließen weitere Elemente oder Schritte nicht aus. Die Verwendung des unbestimmten Artikels schließt eine Mehrzahl nicht aus. Eine einzelne Einrichtung kann die Funktionen mehrerer in den Patentansprüchen genannten Einheiten beziehungsweise Einrichtungen ausführen. In den Patentansprüchen angegebene Bezugszeichen sind nicht als Beschränkungen der eingesetzten Mittel und Schritte anzusehen.

Claims

Patentansprüche
1. Sensoreineinrichtung zum Erfassen eines Bewegungszustands eines Kraftfahrzeugs (101 ) umfassend wenigstens eine Lasereinheit (108i; 702i), die eine Lichtquelle zum Emittieren von kohärentem Licht aufweist, das in Richtung einer Fahrbahnoberfläche (104) ausgesendet wird, wenn die Sensoreinrichtung am Kraftfahrzeug (101 ) angeordnet ist, und die einen Interferenz-Detektor (306) aufweist, der dazu ausgebildet ist, wenigstens eine Messgröße zu erfassen, die eine Interferenz zwischen dem an der Oberfläche gestreuten Licht und dem Licht der Lichtquelle charakterisiert, wobei die Messgröße eine Geschwindigkeitskomponente der Sensoreinrichtung und/oder eine Entfernung zwischen der Sensoreinrichtung und der Fahrbahnoberfläche (104) repräsentiert, wobei die Lasereinheit (108i; 702i) mit einer Auswerteeinrichtung (110; 704) gekoppelt ist, die dazu ausgebildet ist, aus der Messgröße wenigstens eine den Bewegungszustand des Fahrzeugs (101 ) charakterisierende Größe zu bestimmen.
2. Sensoreinrichtung nach Anspruch 1 , umfassend wenigstens einen Sensor- cluster (102; 102i; 701 ) mit mehreren Lasereinheiten (108i; 702i), die mit der Auswerteeinrichtung (110, 704) gekoppelt sind, wobei die Lasereinheiten (108i; 702i) Licht in verschiedene Richtung emittieren.
3. Sensoreinrichtung nach Anspruch 2, wobei die Lasereinheiten (108i; 702i) des Sensorclusters (102; 102i; 701 ) in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind, das an einer Unterseite einer Fahrzeugkarosserie (105) befestigt werden kann, die im Betrieb des Kraftfahrzeugs (101 ) der Fahrbahnoberfläche (104) zugewandt ist.
4. Sensoreinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Auswerteeinrichtung (110, 704) dazu ausgebildet ist, aus den mittels der Lasereinheiten (108i; 702i) des Sensorclusters (102; 102i; 701 ) erfassten Messgrößen jeweils eine Geschwindigkeitskomponente des Sensorclusters (102; 102i; 701 ) zu ermitteln und basie- rend auf den ermittelten Geschwindigkeitskomponenten wenigstens eine Ge- schwindigkeitskomponente des Kraftfahrzeugs (101 ) zu bestimmen.
5. Sensoreinrichtung nach Anspruch 4, wobei die Auswerteeinrichtung (110, 704) dazu ausgebildet ist, bei der Bestimmung der Geschwindigkeitskomponente des Kraftfahrzeugs (101 ) wenigstens eine Drehrate des Kraftfahrzeugs (101 ) heranzuziehen.
6. Sensoreinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, umfassend zwei mit der Auswerteeinrichtung (110) gekoppelte Sensorcluster (102a, 102b) und wenigstens eine mit der Sensoreinrichtung gekoppelte Einrichtung (601 ) zum Bestimmen einer Drehrate, wobei die Auswerteeinrichtung (110) dazu ausgebildet ist, aus den in den Sensorclustern (102a, 102b) erfassten Messgrößen und der mittels der Einrichtung (601 ) erfassten ersten Drehrate wenigstens eine Geschwindigkeitskomponente des Kraftfahrzeugs (101 ) und/oder eine zweite Drehrate zu bestimmen.
7. Sensoreinrichtung nach Anspruch 6, wobei es sich bei der Einrichtung (601 ) zum Bestimmen der Drehrate um einen Drehratensensor, insbesondere einen Gierratensensor, handelt.
8. Sensoreinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, umfassend drei mit der Auswerteeinrichtung (110) gekoppelte Sensorcluster (102a, 102b, 102c), wobei die Auswerteeinrichtung (110) dazu ausgebildet ist, aus den mit den drei Sensorclustern (102a, 102b, 102c) ermittelten Messgrößen wenigstens eine Geschwindigkeitskomponente des Kraftfahrzeugs (101 ) und/oder wenigstens eine Drehrate des Fahrzeugs (101 ) zu bestimmen.
9. Sensoreinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, umfassend einen ersten Sensorcluster (701 ) mit mehreren, insbesondere drei Lasereinheiten (702a, 702b, 702c), wobei die Frequenzen des von den Lasereinheiten emittierten Lichts nach einem Modulationsschema derart modulierbar sind, dass in der Auswerteeinrichtung (704) aus der erfassten Messgröße jeweils eine Entfernung ermittelbar ist, wobei die Auswerteeinrichtung (704) dazu ausgebildet ist, aus den ermittelten Entfernungen wenigstens einen Drehwinkel und/oder wenigstens eine Drehrate des Fahrzeugs (101 ) zu bestimmen.
10. Sensoreinrichtung nach Anspruch 9, wobei die Frequenzen des von den Lasereinheiten (702a, 702b, 702c) emittierten Lichts nach einem Modulationsschema derart modulierbar sind, dass aus der erfassten Messgröße jeweils neben der Entfernung eine Geschwindigkeitskomponente des ersten Sensorclusters (701 ) ermittelbar ist.
11. Sensoreinrichtung nach Anspruch 10, wobei die Auswerteeinrichtung (704) dazu ausgebildet ist, aus den mit dem ersten Sensorcluster (701 ) ermittelten Geschwindigkeitskomponenten und der Drehrate wenigstens eine Geschwindigkeitskomponente des Kraftfahrzeugs (101 ) zu bestimmen.
12. Sensoreinrichtung nach Anspruch 11 , wobei die Auswerteeinrichtung (704) dazu ausgebildet ist, zur Ermittlung der Geschwindigkeitskomponente des Kraftfahrzeugs (101 ) eine weitere Drehrate heranzuziehen, die mittels eines Drehratensensors (901 ) ermittelt wird.
13. Sensoreinrichtung nach Anspruch 11 , weiterhin umfassend einen mit der Auswerteeinrichtung (704) verbundenen zweiten Sensorcluster (102; 701 b), wobei aus der in dem zweiten Sensorcluster (102; 701 b) erfassten Messgröße Geschwindigkeitskomponenten des zweiten Sensorclusters ermittelbar sind, wobei die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist, aus den ermittelten Geschwindigkeitskomponenten des ersten und zweiten Sensorclusters (701 ; 102; 701 b) wenigstens eine weitere Drehrate des Fahrzeugs (101 ) zu ermitteln und die weitere Drehrate zur Ermittlung der Geschwindigkeitskomponente des Kraftfahrzeugs (101 ) heranzuziehen.
14. Kraftfahrzeug (101 ), umfassend eine Sensoreinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche.
15. Verfahren zum Erfassen eines Bewegungszustands eines Kraftfahrzeugs (101 ) mit einer Sensoreinrichtung, bei dem
- aus einer Lichtquelle des Sensoreinrichtung kohärentes Licht in Richtung einer Fahrbahnoberfläche (104) ausgesendet wird,
- mit einem Interferenz-Detektor (106) der Sensoreinrichtung wenigstens eine Messgröße erfasst wird, die eine Interferenz zwischen dem an der Fahrbahnoberfläche (104) gestreuten Licht und dem Licht der Lichtquelle charakterisiert, wobei die Messgröße eine Geschwindigkeitskomponente der Sensoreinrichtung und/oder eine Entfernung zwischen der Sensoreinrichtung und der Fahrbahnoberfläche (104) repräsentiert, und
- nach Maßgabe der Messgröße wenigstens eine den Bewegungszustand des Fahrzeugs (101 ) charakterisierende Größe ermittelt.
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