WO2020216591A1 - Verfahren und vorrichtung zum ermitteln einer festen zustandsform von wasser auf einer fahrbahnoberfläche - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum ermitteln einer festen zustandsform von wasser auf einer fahrbahnoberfläche Download PDF

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WO2020216591A1
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signal
water
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road surface
light
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PCT/EP2020/059227
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Wolfgang Welsch
Sina FELLA
Andreas Baumgartner
Stefan Kuntz
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Robert Bosch Gmbh
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    • G01N2021/4704—Angular selective
    • G01N2021/4709—Backscatter

Definitions

  • the present invention relates to a method and a device for determining a solid state of water on a road surface.
  • the coefficient of friction is influenced in particular by "intermediate media" occurring on the road (i.e. media between a road surface and the tires of the means of transport) such as water, snow, ice, leaves or oil.
  • intermediate media i.e. media between a road surface and the tires of the means of transport
  • Such media can be detected by various sensors (e.g. cameras, sound, ultrasound, or optical sensors working in the infrared range).
  • Optical sensors working in the near-infrared range (approx. 800 nm - 3000 nm) can cause a diffuse and / or directional reflection of actively emitted light of several wavelengths or
  • DE 000002712199 C2 describes a device for warning a driver of a motor vehicle about slippery roads, characterized by a light source through which light of a certain wavelength is radiated onto the road surface, a receiver through which the light reflected from the road can be converted into a corresponding electrical signal , as well as a warning device through which the motor vehicle driver can recognize the electrical signal generated when ice forms on the roadway.
  • DE 000004133359 C2 describes a method and a device for measuring a thickness of a layer of water present on a roadway.
  • a light beam with an infrared light source is used
  • backscattered light that has penetrated an existing water layer is selectively scanned at at least two wavelengths in the near infrared range.
  • the thickness of the water layer is determined from the amplitudes of the selectively scanned back-scattered light fluxes and displayed on a display unit.
  • DE 000019506550 A1 describes a method and a device for warning of ice build-up, such as freezing wetness and / or frostbite
  • a method for determining a solid state form of water on a road surface is proposed, which can in particular be used to differentiate between ice and snow on a road surface.
  • light from a light source of an optical sensor of a means of locomotion is emitted at a predefined angle onto a road surface.
  • the light source is set up to emit light with at least two predefined wavelengths or wavelength ranges that differ from one another.
  • predefined wavelength range is also used below to represent the predefined wavelength.
  • the light source can be a single
  • the light for the at least two predefined wavelength ranges can be generated either by a broadband illuminant (which includes the at least two predefined wavelength ranges) or by several narrowband illuminants, each illuminant being set up to light in one of the predefined wavelength ranges to send out.
  • a broadband illuminant which includes the at least two predefined wavelength ranges
  • several narrowband illuminants each illuminant being set up to light in one of the predefined wavelength ranges to send out.
  • the means of transport can for example be a road vehicle (e.g.
  • the light source of the optical sensor can be, for example, a laser light source or an LED light source, which is designed in particular to emit near-infrared light whose wavelength or wavelength range is preferably in the range between 800 nm and 3000 nm.
  • the method according to the invention can in principle also be carried out with other types of light sources and / or other wavelengths or wavelength ranges.
  • the optical sensor can basically be arranged at any position of the means of locomotion, as long as the light emitted by the sensor is directed at the above-mentioned predefined angle
  • a suitable position for arranging the optical sensor can, for example, be a position in or on a front apron; or in the underbody area of the means of locomotion, on which the optical Sensor attached and down towards the road surface
  • the optical sensor can be aligned.
  • the optical sensor can also be arranged, for example, in a lower area of a front apron and / or in the area of a wheel arch of the means of locomotion.
  • the predefined angle of the optical sensor ie the angle at which the light emitted by the optical sensor hits the road surface
  • the predefined angle of the optical sensor can be an angle between 10 ° and 54 °, in particular an angle between 15 ° and 35 ° and preferably Be an angle of 20 °. It should be noted that the values mentioned here for the predefined angle of the optical sensor in connection with the inventive
  • the method according to the invention are not limited to those mentioned here.
  • an angle greater than or equal to 10 ° a proportion of direct reflections of the emitted light on the road surface that may be too high for the method according to the invention can be avoided
  • optical sensor can be connected to an on-board network of the means of locomotion
  • Means of locomotion be connected to by the evaluation unit
  • the evaluation unit according to the invention can be part of an independent control unit or part of an existing one
  • Evaluation unit can also be part of the optical sensor itself. This means that the signals generated by the sensor are in the form of (preprocessed)
  • Raw values can be transmitted to an evaluation unit arranged away from the sensor or to an evaluation unit arranged inside the sensor.
  • the evaluation unit In a second step of the method according to the invention, the evaluation unit according to the invention generates a signal from a light detector of the optical sensor representing an intensity of the portion of the emitted light scattered back through the road surface to the optical sensor receive.
  • the signal generated by the optical sensor can be output by the sensor in the form of a digital or analog signal.
  • the evaluation unit can receive the signal via a suitable digital or analog signal interface and store a digital signal directly and an analog signal after an A / D conversion in a memory unit connected internally and / or externally to the evaluation unit for downstream processing.
  • the light detector may comprise a single detector or a plurality of detectors, with the single detector being a
  • broadband detector which is set up to receive the at least two predefined wavelength ranges, while the plurality of detectors can be set up, each one of the predefined
  • a plurality of illuminants can also be combined with a broadband detector by taking the measurements in the respective
  • Wavelength ranges take place one after the other, so that the light intensities received by the detector can be assigned to the respective illuminant.
  • Illuminants can be combined with a broadband detector by filtering the signal generated by the detector into the respective
  • a solid state form of water on a road surface is determined on the basis of a ratio of received values for light intensities of the respective
  • Wavelength ranges of the intensity of the scattered light detected by the light detector instead.
  • the predefined wavelengths or predefined Wavelength ranges preferably represent characteristic ones
  • Absorption lines or absorption line areas of ice and / or snow can also have characteristic absorption lines or
  • the background to wavelength ranges is that, when looking only at absolute values of the light intensities detected by the optical sensor, there are fluctuations in intensity due to interfering influences
  • Misclassifications can occur. Such incorrect classifications can occur, for example, when a chassis of the means of locomotion compresses and the distance between the optical sensor and the road surface changes as a result.
  • Another example of a cause of misclassifications when considering only absolute values can be lane markings, which, like snow on the lane, are heavy
  • the method according to the invention initially provides for a determination of a fixed one
  • Absolute values and relative values are to be understood here in particular as absolute values and relative values of amplitude values and / or energies of the signal in the optical spectrum or (parts) of the envelope curve of the optical spectrum. I.e. By knowing the emitted wavelength or the emitted wavelength range of the light and a subsequent evaluation of the intensity of the received light, it is possible to infer whether or not there is absorption in a respective predefined wavelength range. In the event that no characteristic absorption lines for ice and / or snow can be determined in this process step, no fixed state of water on the road surface can be determined. Information that there is no fixed state of Water on the road surface can be determined, can be stored by the evaluation unit in the storage unit connected to the evaluation unit.
  • the road surface can be classified as dry by the evaluation unit. Also information about such a dry one
  • Road condition can be stored by the evaluation unit in the storage unit connected to the evaluation unit.
  • the method according to the invention classifies the solid state of water (ice or snow) on the road surface.
  • the classification takes place by comparing absolute values of the signal with a first predefined threshold value and / or by comparing a signal-to-noise ratio of the signal with a second predefined threshold value.
  • it can be useful to use a plurality of predefined first threshold values and / or a plurality of predefined second threshold values, which are each adapted to their corresponding wavelength ranges.
  • a wavelength-dependent threshold value can be determined using suitable methods, for example using a weighted averaging of the signal of all the wavelengths present in the sensor.
  • the first and / or second predefined threshold value can preferably be stored in the memory unit connected to the evaluation unit and read out and used by the evaluation unit from the memory unit at the given point in time.
  • the water present on the road surface can also represent mixed states from the state forms ice, snow or liquid, a corresponding mixed state of the water can also be determined from the level of the respective absolute values of the signal.
  • the classification of the liquid state of the water can be done in particular by considering the position of the absorption lines in the spectrum of the signal of the optical sensor as described above. This can be carried out in the course of the fourth method step described here and / or already in the third method step.
  • the method according to the invention can enable the current state of the road surface to be classified into the states dry, wet and water in solid form, with the water in solid form in terms of a current state of the water in the states of snow or ice, or based on them Mixed forms can be classified.
  • the distinction between ice and snow can be carried out on the basis of the signal-to-noise ratio of the signal from the optical sensor.
  • Evaluation unit has a high signal-to-noise ratio (i.e., a low
  • Noise component in relation to the useful signal) in the signal of the optical sensor a current state of the water can be classified as "snow".
  • the evaluation unit determines a low signal-to-noise ratio (i.e. a high proportion of noise in relation to the useful signal) in the signal, a current state of the water can be classified as "ice”.
  • the noise component in the signal is lower for snow on the one hand due to higher absolute values.
  • the signal from ice is more location-dependent. The latter is due, on the one hand, to the fact that the signal from a road surface covered with ice is influenced by a number of air bubbles trapped in the ice.
  • Asphalt surface which has a clear macrostructure, usually leads to a more location-dependent signal and thus to a correspondingly higher noise component in the signal. It should be noted that in the course of evaluating the signal-to-noise ratio, the influence different speeds of the means of locomotion can be taken into account in that the noise component of the signal is normalized, for example, to a respective speed of the means of locomotion.
  • the evaluation unit can also determine corresponding mixed forms between ice and snow on the basis of a respective level of the signal-to-noise ratio.
  • a plurality of first and / or second threshold values can be stored in the memory unit, each of which represents a specific mixed form of state forms of the water.
  • Classification on the basis of the absolute values and / or the signal-to-noise ratio can then be used individually in the means of locomotion or, before further use, be combined in a suitable manner to form a single result.
  • the information determined about the solid state of the water in the means of transport is used.
  • the evaluation unit according to the invention can transmit the information determined in each case via the on-board network of the means of locomotion to one or more receiver control devices for this information.
  • Information about the solid state of the water to a driver of the vehicle in question is used in other control devices of the means of transport (e.g. in driver assistance systems).
  • Threshold also takes into account information about a current degree of compression of a chassis of the means of locomotion. In this way, reliability of the result of evaluating the absolute values of the signal can be improved.
  • a currently existing degree of compression of the chassis can, for example, by means of an acceleration sensor and / or a level sensor and / or an inertial sensor of the
  • Means of locomotion are recorded and determined in each corresponding control device (e.g. by the evaluation unit according to the invention).
  • the evaluation unit can adapt respective values of the signal from the optical sensor and / or the first and / or second threshold values in a suitable manner.
  • the signal generated by the optical sensor can also be discarded in phases of a deflection of the chassis of the means of locomotion which is unfavorable for the method according to the invention, or it can be given a correspondingly lower weighting if a mean value is formed over several measured values. This means that in such phases no current information about the solid state of the water is determined. Instead, the information determined prior to the occurrence of such a phase can remain unchanged during such a phase
  • the classification of the solid state of the water on the road surface is additionally carried out on the basis of further sensors of the means of locomotion.
  • signals from a camera and / or a sound transducer and / or a temperature sensor and / or an ultrasonic sensor of the means of transport can be used for this, which can be received by the evaluation unit according to the invention via the on-board network.
  • a distinction between ice and snow can be made on the basis of the signal from the camera, for example, in that different light reflections generated by ice and snow on the road surface are determined in the evaluation unit.
  • a layer thickness of the water is also more solid in its respective
  • Means of locomotion are evaluated by means of the evaluation unit.
  • a corresponding layer thickness of the Water can be determined in its respective solid state form.
  • the information determined about the layer thickness can, for example, advantageously be used in connection with the classification of the solid state of water on the road surface, since different spectra for the signal can result depending on a respective layer thickness.
  • the solid state form of water on the road surface can be determined on the basis of a method for machine learning.
  • algorithms known from the prior art e.g.
  • Support Vector Machine, Random Forest, or a deep learning method of an artificial neural network can be used for monitored or partially monitored learning, which can be implemented as part of the computer program described above.
  • the different state forms of the water in the course of the evaluation of laboratory reference measurements (broadband or with different narrowband wavelength or wavelength ranges), simulations and / or one or more training trips of the means of locomotion and / or a dedicated means of training locomotion through the method for machine learning can be trained by means of the evaluation unit according to the invention.
  • a configuration of the algorithm trained in this way can then be used in the
  • Transfer means of transport (e.g. in the course of a manufacturing process for means of transport) and be used there.
  • a confidence value for the solid state of the water is also determined.
  • the confidence value can e.g. in connection with machine learning, for example, correspond to a distance to a parting plane of different classes.
  • the noise of the measured values or the level of the measured value can also be taken into account in the confidence value.
  • the confidence value is then used in the means of transport, for example in the control device described above for a highly automated ferry operation and / or in one or more
  • Driver assistance system (s) is used.
  • the confidence value can also be used in the course of the output of the information about the fixed
  • the device includes a
  • Evaluation unit with a data input and a data output and can be part of an existing control unit or a stand-alone one
  • Evaluation unit for example as an ASIC, FPGA, processor, digital signal
  • Signal processor designed and information technology connected to an internal and / or external memory unit, in which the evaluation unit received and / or calculated data for a
  • the evaluation unit is further set up to emit light from a light source of an optical sensor of a means of locomotion at a predefined angle onto a road surface, the light source being set up to emit light with at least two different, predefined wavelengths or predefined wavelength ranges.
  • the evaluation unit can use a (partial) on-board network of the means of transport be connected to the optical sensor in terms of information technology.
  • the (sub) on-board network connecting the two components can, for example, use a vehicle bus system known from the prior art (for example CAN, MOST, FlexRay, Ethernet, etc.).
  • Evaluation unit further set up to receive a signal from a light detector of the optical sensor representing an intensity of the portion of the emitted light that is scattered back through a road surface to the optical sensor.
  • the evaluation unit is also set up, a fixed one
  • the evaluation unit is also set up to establish a fixed state of water on the road surface by comparing absolute values of the signal with a first predefined threshold value and / or comparing a signal-to-noise ratio of the signal with a second predefined one
  • the evaluation unit is set up to use the determined information about the fixed state of the water in the means of transport.
  • the evaluation unit can transmit the ascertained information via the (partial) on-board network of the means of locomotion to one or more receiver control devices which, based on the information, can, for example, send a highly automated
  • Control of the means of transport can adapt to the determined environmental conditions. In this way, a speed of the means of transport can be automatically reduced, for example when there is slippery snow and / or ice, so that, among other things, an accident risk for the means of transport can be reduced.
  • Figure 1 is a flow chart illustrating steps of a
  • Figure 2 is a schematic overview of an inventive
  • FIG. 3a shows a comparative example of a spectrum of a first signal and a second signal of an optical sensor of a means of locomotion
  • FIG. 3b shows a comparative example of a spectrum of a third signal and a fourth signal of an optical sensor of a means of locomotion.
  • FIG. 1 shows a flow diagram illustrating steps of a
  • Embodiment of a method according to the invention for determining a roadway condition In step 100, light from an LED light source of an optical sensor of a means of transportation is emitted at a predefined angle of 20 ° onto a road surface on which the means of transportation is traveling.
  • the LED light source is set up to emit light with at least two predefined wavelengths or predefined wavelength ranges that differ from one another.
  • the optical sensor is controlled by means of an evaluation unit according to the invention, which here is a microcontroller.
  • the evaluation unit according to the invention is connected to the optical sensor in terms of information technology via a FlexRay bus of the means of transport.
  • the evaluation unit receives a signal from a light detector of the optical sensor representing an intensity of a portion of the emitted light that is scattered back through the road surface to the optical sensor.
  • the signal is in the form of digital data in the
  • Evaluation unit received and stored by the evaluation unit in an internal memory unit of the evaluation unit.
  • the evaluation unit establishes a fixed state of water on the
  • step 400 the solid state of the water on the
  • step 600 the layer thickness of the ice on the
  • step 500 and step 800 the confidence value is combined with the result for the fixed state form of the water and in the form of a bus signal to a control unit for one
  • FIG. 2 shows a schematic overview of a device according to the invention in connection with a means of locomotion 80.
  • the device according to the invention comprises an evaluation unit 10, which here is a microcontroller.
  • the evaluation unit 10 is provided with an external memory unit 20
  • the evaluation unit 10 is connected to an information technology via a data input 12 and a data output 14 via a sub-board network of the means of transport 80 with an optical sensor 30 which is aligned at an angle of 20 ° with respect to the road surface 70 and is arranged in the underbody area of the means of transport 80.
  • the on-board network is implemented here on an Ethernet basis.
  • a camera 40 which detects the road surface 70 and is arranged in the front area of the means of locomotion 80, is also connected to the evaluation unit 10 for information purposes via the on-board network mentioned. On the basis of a signal from the camera 40, the evaluation unit 10 is able to use the inventive
  • the evaluation unit 10 is connected to a control device 50 for a highly automated ferry operation via the data output 14 via the sub-on-board network.
  • a result of the method according to the invention determined by the evaluation unit 10 on the basis of the method according to the invention is transmitted via the data output 14 in the form of a digital signal to the control device 50 for the highly automated ferry operation.
  • the control unit 50 for the highly automated ferry operation uses the result of the
  • FIG. 3a shows a comparative example of a spectrum of a first broadband detected signal 60 and a second broadband detected signal 62 of an optical sensor of a means of locomotion.
  • the second signal 62 represents a signal which is detected by the optical sensor when the
  • the road surface is covered with a thin layer of ice.
  • the comparative example shows that values of reflection factors of the first and second signals differ sufficiently to be able to classify the respective signal with regard to a snow-covered or an ice-covered road on the basis of the method according to the invention.
  • FIG. 3b shows a comparative example of a spectrum of a third broadband detected signal 64 and a fourth broadband detected signal 66 of an optical sensor of a means of locomotion.
  • the third signal 64
  • the fourth signal 66 represents a signal which is detected by the optical sensor when the road surface is covered with a thick layer of ice. It can be seen from the comparative example that values of reflection factors of the third and fourth signals differ to a sufficient extent to enable a

Abstract

Die vorliegende Erfindungbetrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ermitteln einer festen Zustandsform von Wasser auf einer Fahrbahnoberfläche (70). Das Verfahrenumfasstdie Schritte: Aussenden von Licht einer Lichtquelle eines optischen Sensors (30) eines Fortbewegungsmittels (80) in einem vordefinierten Winkel auf eine Fahrbahnoberfläche (70), wobei die Lichtquelle eingerichtet ist, Licht mit mindestens zwei voneinander abweichenden, vordefinierten Wellenlängen bzw. vordefinierten Wellenlängenbereichen auszusenden, Empfangen eines Signalseines Lichtdetektorsdes optischen Sensors (30)repräsentierend eine Intensität eines durch die Fahrbahnoberfläche (70) zum optischen Sensor (30) zurückgestreuten Anteils des ausgesendeten Lichts,Ermitteln einerfesten Zustandsform von Wasser auf einer Fahrbahnoberflächeauf Basis eines Verhältnisses empfangener Werte für Lichtintensitäten derjeweiligenvordefinierten Wellenlängen bzw. vordefinierten Wellenlängenbereiche innerhalb des Signals,Klassifizieren der festen Zustandsform von Wasser auf der Fahrbahnoberfläche durch Abgleichen von Absolutwerten des Signals mit einem ersten vordefinierten Schwellenwert, und/oder Abgleichen eines Signal-Rausch-Verhältnisses des Signals mit einem zweiten vordefinierten Schwellenwert, und Verwenden der ermittelten Information über die Zustandsform des Wassers im Fortbewegungsmittel (80).

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren und Vorrichtung zum Ermitteln einer festen Zustandsform von Wasser auf einer Fahrbahnoberfläche
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ermitteln einer festen Zustandsform von Wasser auf einer Fahrbahnoberfläche.
Aus dem Stand der Technik sind Systeme für einen automatisierten bzw.
hochautomatisierten Fährbetrieb von Fortbewegungsmitteln bekannt, welche für eine zuverlässige bzw. sichere Steuerung der Fortbewegungsmittel u.a.
Informationen über aktuell vorliegende Umweltbedingungen verwenden. Um ein sicheres hochautomatisiertes Fahren zu gewährleisten, ist es beispielsweise von Vorteil den Reibwert einer zu befahrenden Straße so genau wie möglich zu ermitteln. Der Reibwert wird insbesondere durch auf der Straße vorkommende „Zwischenmedien“ (d. h., Medien zwischen einer Fahrbahnoberfläche und Reifen des Fortbewegungsmittels) wie beispielsweise Wasser, Schnee, Eis, Laub oder Öl beeinflusst. Ein Erfassen solcher Medien kann durch verschiedene Sensoren (z. B. Kameras, Schall-, Ultraschall-, oder im Infrarotbereich arbeitende optische Sensoren) erfolgen. Im nahinfraroten Bereich (ca. 800 nm - 3000 nm) arbeitende optische Sensoren können eine diffuse und/oder gerichtete Reflexion von aktiv ausgesendetem Licht mehrerer Wellenlängen bzw.
Wellenlängenbereiche in geeigneter Weise auswerten. Diese detektierten Wellenlängen bzw. Wellenlängenbereiche unterscheiden sich dadurch, dass in ihnen unterschiedlich stark ausgeprägte Absorptionslinien im optischen Spektrum von Wasser in allen Aggregatszuständen (flüssig, Eis, Schnee, oder
Mischzustände) liegen. Dadurch können trockene Straßen von nichttrockenen unterschieden, einzelne Zwischenmedien als Zustandsformen des Wassers kategorisiert und sogar Schichtdicken eines jeweiligen Zwischenmediums bestimmt werden. Hierzu werden insbesondere Intensitäten und Intensitätsverhältnisse ausgewertet, entweder über Vergleiche, Schwellenwerte oder maschinelle Lernverfahren. Eine für den automatisierten Fährbetrieb vorteilhaft nutzbare und zuverlässige Unterscheidung zwischen einer
schneebedeckten und einer eisbedeckten Fahrbahnoberfläche führt auf Basis dieses optischen Erfassungsprinzips aufgrund der Ähnlichkeiten der Schnee- und Eisspektren allerdings leicht zu Fehlklassifizierungen.
DE 000002712199 C2 beschreibt eine Vorrichtung zum Warnen eines Führers eines Kraftfahrzeuges vor Straßenglätte, gekennzeichnet durch eine Lichtquelle, durch welche Licht einer bestimmten Wellenlänge auf die Fahrbahnoberfläche gestrahlt wird, einen Empfänger, durch welchen das von der Fahrbahn zurückgeworfene Licht in ein entsprechendes elektrisches Signal umformbar ist, sowie durch eine Warneinrichtung, durch welche das bei Eisbildung auf der Fahrbahn entstehende elektrische Signal dem Kraftfahrzeugführer erkennbar ist.
DE 000004133359 C2 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung einer Dicke einer auf einer Fahrbahn vorhandenen Wasserschicht. Hierfür wird mittels einer Lichtquelle ein Lichtstrahl mit einem infraroten
Spektralanteil auf die Fahrbahn ausgesendet. Das von der Fahrbahn
zurückgestreute Licht, das bei einer vorhandenen Wasserschicht diese durchdrungen hat, wird auf wenigstens zwei im nahen Infrarotbereich liegenden Wellenlängen selektiv abgetastet. Aus den Amplituden der selektiv abgetasteten zurückgestreuten Lichtströme wird die Dicke der Wasserschicht bestimmt und mittels einer Anzeigeeinheit angezeigt.
DE 000019506550 A1 beschreibt Verfahren und eine Vorrichtung zur Warnung vor durch Glättebildung, wie überfrierende Nässe und/oder unterfrorene
Oberflächen bedingte Gefahren auf Verkehrswegen, aber auch an
frostungeschützten Bauteilen von Flugzeugen und Maschinen aller Art durch spektralanalytische Messung und computergestützte chemometrische
Auswertung der Transmissions- und Reflexionseigenschaften von Wasser bzw. einer sich wie Wasser verhaltenden erstarrungsfähigen protischen Flüssigkeit oder Lösung in Abhängigkeit vom Kristallisationsgrad, der im flüssigen und/oder festen Aggregatzustand vorliegenden Molekülstruktur.
Offenbarung der Erfindung Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Ermitteln einer festen Zustandsform von Wasser auf einer Fahrbahnoberfläche vorgeschlagen, welches insbesondere eingesetzt werden kann, um Eis und Schnee auf einer Fahrbahnoberfläche zu unterscheiden. In einem ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird Licht einer Lichtquelle eines optischen Sensors eines Fortbewegungsmittels in einem vordefinierten Winkel auf eine Fahrbahnoberfläche ausgesendet.
Die Lichtquelle ist eingerichtet, Licht mit mindestens zwei voneinander abweichenden, vordefinierten Wellenlängen bzw. Wellenlängenbereichen auszusenden. Im Sinne einer vereinfachten Beschreibung wird der Begriff vordefinierter Wellenlängenbereich nachfolgend auch stellvertretend für die vordefinierte Wellenlänge verwendet. Die Lichtquelle kann ein einzelnes
Leuchtmittel oder eine Mehrzahl von Leuchtmitteln umfassen. D. h., dass das Licht für die mindestens zwei vordefinierten Wellenlängenbereiche entweder durch ein breitbandiges Leuchtmittel (welches die mindestens zwei vordefinierten Wellenlängenbereiche umfasst) oder durch mehrere schmalbandige Leuchtmittel erzeugt werden kann, wobei jedes Leuchtmittel eingerichtet ist, Licht in jeweils einem der vordefinierten Wellenlängenbereiche auszusenden.
Das Fortbewegungsmittel kann beispielsweise ein Straßenfahrzeug (z.B.
Motorrad, PKW, Transporter, LKW) oder ein Schienenfahrzeug oder ein
Luftfahrzeug/Flugzeug oder ein Wasserfahrzeug sein. Die Lichtquelle des optischen Sensors kann beispielsweise eine Laserlichtquelle oder eine LED- Lichtquelle sein, welche insbesondere dazu ausgebildet ist, nahinfrarotes Licht auszusenden, dessen Wellenlänge bzw. Wellenlängenbereich bevorzugt im Bereich zwischen 800 nm und 3000 nm liegt. Darüber hinaus kann das erfindungsgemäße Verfahren prinzipiell auch mit weiteren Arten von Lichtquellen und/oder weiteren Wellenlängen bzw. Wellenlängenbereichen durchgeführt werden. Der optische Sensor kann grundsätzlich an beliebigen Positionen des Fortbewegungsmittels angeordnet sein, solange das durch den Sensor ausgesendete Licht im oben genannten vordefinierten Winkel auf die
Fahrbahnoberfläche trifft und das durch die Fahrbahnoberfläche gestreute Licht der Lichtquelle des optischen Sensors zumindest anteilig im optischen Sensor empfangen werden kann. Eine geeignete Position zur Anordnung des optischen Sensors kann beispielsweise eine Position in oder an einer Frontschürze; oder im Unterbodenbereich des Fortbewegungsmittels sein, an welchem der optische Sensor befestigt und nach unten in Richtung der Fahrbahnoberfläche
ausgerichtet sein kann. Darüber hinaus kann der optische Sensor beispielsweise auch in einem unteren Bereich einer Frontschürze und/oder im Bereich eines Radkastens des Fortbewegungsmittels angeordnet sein. Der vordefinierte Winkel des optischen Sensors (d. h. der Winkel, unter dem das durch den optischen Sensor ausgesendete Licht auf die Fahrbahnoberfläche trifft) bezüglich der Fahrbahnoberfläche kann ein Winkel zwischen 10° und 54°, insbesondere ein Winkel zwischen 15° und 35° und bevorzugt ein Winkel von 20° sein. Es sei darauf hingewiesen, dass die hier genannten Werte für den vordefinierten Winkel des optischen Sensors im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren vorteilhaft einsetzbare Werte sind, dass diese im Sinne des
erfindungsgemäßen Verfahrens aber nicht auf die hier genannten beschränkt sind. Insbesondere durch ein Verwenden eines Winkels von größer bzw. gleich 10° kann ein für das erfindungsgemäße Verfahren ggf. zu hoher Anteil direkter Reflexionen des ausgesendeten Lichtes auf der Fahrbahnoberfläche vermieden werden, welcher das Erfassen der Fahrbahnoberfläche bzw. des
Zwischenmediums auf der Fahrbahnoberfläche stören kann. Des Weiteren kann der optische Sensor über ein Bordnetz des Fortbewegungsmittels
informationstechnisch mit einer erfindungsgemäßen Auswerteeinheit des
Fortbewegungsmittels verbunden sein, um durch die Auswerteeinheit
angesteuert zu werden und/oder durch den optischen Sensor erfasste Signale mittels der Auswerteeinheit im Sinne des erfindungsgemäßen Verfahrens zu verarbeiten. D. h., dass dieser und nachfolgend beschriebene Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens mittels der Auswerteeinheit durchgeführt werden können. Die erfindungsgemäße Auswerteeinheit kann Bestandteil eines eigenständigen Steuergerätes oder Bestandteil eines bestehenden
Steuergerätes des Fortbewegungsmittels sein. Darüber hinaus kann die
Auswerteeinheit auch ein Bestandteil des optischen Sensors selbst sein. D. h., dass die durch den Sensor erzeugten Signale in Form (vorverarbeiteter)
Rohwerte an eine abseits des Sensors angerordnete Auswerteeinheit oder an eine innerhalb des Sensors angeordnete Auswerteeinheit übertragen werden können.
In einem zweiten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird durch die erfindungsgemäße Auswerteeinheit ein Signal eines Lichtdetektors des optischen Sensors repräsentierend eine Intensität des durch die Fahrbahnoberfläche zum optischen Sensor zurückgestreuten Anteils des ausgesendeten Lichts empfangen. Das durch den optischen Sensor erzeugte Signal kann in Form eines digitalen oder analogen Signals durch den Sensor ausgegeben werden.
Die Auswerteeinheit kann das Signal über eine geeignete digitale oder analoge Signalschnittstelle empfangen und ein digitales Signal auf direktem Wege und ein analoges Signal nach einer A/D-Wandlung in einer intern und/oder extern an die Auswerteeinheit angebundenen Speichereinheit für eine nachgelagerte Verarbeitung ablegen. Der Lichtdetektor kann einen einzelnen Detektor oder eine Mehrzahl von Detektoren umfassen, wobei der einzelne Detektor ein
breitbandiger Detektor sein kann, welcher eingerichtet ist, die mindestens zwei vordefinierten Wellenlängenbereiche zu empfangen, während die Mehrzahl von Detektoren eingerichtet sein kann, jeweils einen der vordefinierten
Wellenlängenbereiche pro Detektor zu empfangen.
Entscheidend für das erfindungsgemäße Verfahren ist, dass durch eine geeignete Kombination aus Lichtquelle und Lichtdetektor jeweilige Intensitäten des zurückgestreuten Lichts in den jeweiligen Wellenlängenbereichen unabhängig voneinander empfangen werden können. Dies lässt sich
beispielsweise durch die Kombination einer Mehrzahl von Leuchtmitteln und einer korrespondierenden Mehrzahl von Detektoren erreichen. Alternativ oder zusätzlich kann auch eine Mehrzahl von Leuchtmitteln mit einem breitbandigen Detektor kombiniert werden, indem die Messungen in den jeweiligen
Wellenlängenbereichen nacheinander erfolgen, so dass die durch den Detektor empfangenen Lichtintensitäten dem jeweiligen Leuchtmittel zugeordnet werden können. Weiter alternativ oder zusätzlich kann auch ein breitbandiges
Leuchtmittel mit einem breitbandigen Detektor kombiniert werden, indem das durch den Detektor erzeugte Signal einer Filterung in den jeweiligen
Wellenlängenbereichen unterzogen wird.
In einem dritten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine feste Zustandsform von Wasser auf einer Fahrbahnoberfläche auf Basis eines Verhältnisses empfangener Werte für Lichtintensitäten der jeweiligen
vordefinierten Wellenlängen bzw. vordefinierten Wellenlängenbereiche innerhalb des Signals ermittelt. Mit anderen Worten findet in diesem Verfahrensschritt eine Auswertung von Relativwerten, also Verhältnissen von Absolutwerten unterschiedlicher vordefinierter Wellenlängen bzw. vordefinierter
Wellenlängenbereiche der durch den Lichtdetektor erfassten Intensität des gestreuten Lichtes statt. Die vordefinierten Wellenlängen bzw. vordefinierten Wellenlängenbereiche repräsentieren bevorzugt charakteristische
Absorptionslinien bzw. Absorptionslinienbereiche von Eis und/oder Schnee. Die vordefinierten Wellenlängen bzw. vordefinierten Wellenlängenbereiche können weiterhin auch charakteristische Absorptionslinien bzw.
Absorptionslinienbereiche von flüssigem Wasser repräsentieren. Es sei darauf hingewiesen, dass die Absorptionslinien zwischen Eis und Schnee im
Wesentlichen identisch sind, während die Absorptionslinien zwischen Wasser und Eis und dementsprechend auch zwischen Wasser und Schnee im Spektrum zueinander verschoben sind. Das Betrachten der Verhältnisse der Absolutwerte unterschiedlicher vordefinierter Wellenlängen bzw. vordefinierter
Wellenlängenbereiche hat den Hintergrund, dass es bei einer reinen Betrachtung von Absolutwerten der durch den optischen Sensor erfassten Lichtintensitäten aufgrund von Intensitätsschwankungen durch Störeinflüsse zu
Fehlklassifizierungen kommen kann. Solche Fehlklassifizierungen können beispielsweise auftreten, wenn ein Fahrwerk des Fortbewegungsmittels einfedert und sich dadurch der Abstand des optischen Sensors zur Fahrbahnoberfläche verändert. Ein weiteres Beispiel für eine Ursache von Fehlklassifizierungen bei einer reinen Betrachtung von Absolutwerten können Fahrbahnmarkierungen sein, welche ähnlich wie auf der Fahrbahn vorhandener Schnee stark
zurückstreuen können, woraus sich jeweils große Absolutwerte ergeben können. Demzufolge können solche Fahrbahnmarkierungen auf Basis einer reinen Absolutwertbetrachtung der Lichtintensitäten nicht eindeutig von vorhandenem Schnee unterschieden werden. Aus diesem Grund sieht das erfindungsgemäße Verfahren, wie oben beschrieben, zunächst ein Ermitteln einer festen
Zustandsform von Wasser auf der Fahrbahnoberfläche vor, was auf Basis von Relativwerten mit einer hohen Zuverlässigkeit erfolgen kann. Unter
Absolutwerten und Relativwerten sollen hier insbesondere Absolutwerte und Relativwerte von Amplitudenwerten und/oder Energien des Signals im optischen Spektrum, bzw. (Teile) der Hüllkurve des optischen Spektrums verstanden werden. D. h. durch die Kenntnis über die ausgesendete Wellenlänge bzw. den ausgesendeten Wellenlängenbereich des Lichts und ein anschließendes Auswerten der Intensität des empfangenen Lichts lässt sich rückschließen, ob eine Absorption in einem jeweiligen vordefinierten Wellenlängenbereich vorhanden ist oder nicht. Für den Fall, dass in diesem Verfahrensschritt keine charakteristischen Absorptionslinien für Eis und/oder Schnee ermittelt werden können, kann keine feste Zustandsform von Wasser auf der Fahrbahnoberfläche ermittelt werden. Eine Information darüber, dass keine feste Zustandsform von Wasser auf der Fahrbahnoberfläche ermittelt werden kann, kann durch die Auswerteeinheit in der an die Auswerteeinheit angebundenen Speichereinheit abgelegt werden. Für den Fall, dass auf Basis des Verhältnisses empfangener Werte für Lichtintensitäten der jeweiligen vordefinierten Wellenlängen bzw. vordefinierten Wellenlängenbereiche innerhalb des Signals weiterhin auch keine charakteristischen Absorptionslinien für flüssiges Wasser ermittelt werden können, kann die Fahrbahnoberfläche durch die Auswerteeinheit als trocken eingestuft werden. Auch eine Information über einen solchen trockenen
Fahrbahnzustand kann durch die Auswerteeinheit in der an die Auswerteeinheit angebundenen Speichereinheit abgelegt werden.
Für den Fall, dass durch die Auswerteeinheit im vorangegangenen
Verfahrensschritt eine feste Zustandsform von Wasser auf der
Fahrbahnoberfläche ermittelt wurde, wird im vierten Schritt des
erfindungsgemäßen Verfahrens die feste Zustandsform von Wasser (Eis oder Schnee) auf der Fahrbahnoberfläche klassifiziert. Das Klassifizieren erfolgt durch Abgleichen von Absolutwerten des Signals mit einem ersten vordefinierten Schwellenwert und/oder durch Abgleichen eines Signal-Rausch-Verhältnisses des Signals mit einem zweiten vordefinierten Schwellenwert. Darüber hinaus kann es sinnvoll sein, eine Mehrzahl vordefinierter erster Schwellenwerte und/oder eine Mehrzahl vordefinierter zweiter Schwellenwerte zu verwenden, welche jeweils an ihre korrespondierenden Wellenlängenbereiche angepasst sind. Ein wellenlängenabhängiger Schwellwert kann über geeignete Verfahren, beispielweise über eine gewichtete Mittelwertbildung des Signals aller im Sensor vorhandenen Wellenlängen ermittelt werden. Der erste und/oder zweite vordefinierte Schwellenwert können bevorzugt in der an die Auswerteeinheit angebundenen Speichereinheit abgelegt sein und durch die Auswerteeinheit aus der Speichereinheit zum gegebenen Zeitpunkt ausgelesen und verwendet werden. Durch das Klassifizieren der Zustandsform des Wassers auf Basis der Absolutwerte des Signals kann Eis von Schnee insbesondere dadurch unterschieden werden, dass hohe Absolutwerte des Signals i.d.R. einen hohen prozentualen Anteil an vorhandenem Schnee indizieren, während niedrige Absolutwerte des Signals i.d.R. einen hohen prozentualen Anteil an
vorhandenem Eis indizieren. Da das auf der Fahrbahnoberfläche vorhandene Wasser auch Mischzustände aus den Zustandsformen Eis, Schnee oder flüssig repräsentieren kann, kann aus der Höhe jeweiliger Absolutwerte des Signals auch ein entsprechender Mischzustand des Wassers ermittelt werden. Es sei darauf hingewiesen, dass die Klassifizierung der flüssigen Zustandsform des Wassers insbesondere durch die oben beschriebene Betrachtung der Lage der Absorptionslinien im Spektrum des Signals des optischen Sensors erfolgen kann. Dies kann im Zuge des hier beschriebenen vierten Verfahrensschrittes und/oder bereits im dritten Verfahrensschritt durchgeführt werden. Auf diese Weise kann das erfindungsgemäße Verfahren eine Klassifizierung des aktuellen Zustandes der Fahrbahnoberfläche in die Zustände trocken, nass und Wasser in fester Form ermöglichen, wobei das Wasser in fester Form hinsichtlich einer aktuellen Zustandsform des Wassers in die Zustandsformen Schnee oder Eis, bzw. darauf basierende Mischformen eingestuft werden kann.
Alternativ oder zusätzlich kann die Unterscheidung zwischen Eis und Schnee, wie oben beschrieben, auf Basis des Signal-Rausch-Verhältnisses des Signals des optischen Sensors durchgeführt werden. Für den Fall, dass die
Auswerteeinheit ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis (d. h., ein geringer
Rauschanteil im Verhältnis zum Nutzsignal) im Signal des optischen Sensors ermittelt, kann eine aktuelle Zustandsform des Wassers als„Schnee“ eingestuft werden. Für den Fall, dass die Auswerteeinheit dagegen ein geringes Signal- Rausch-Verhältnis (d. h., ein hoher Rauschanteil im Verhältnis zum Nutzsignal) im Signal ermittelt, kann eine aktuelle Zustandsform des Wassers als„Eis“ eingestuft werden. Der Rauschanteil im Signal ist für Schnee zum einen aufgrund höherer Absolutwerte geringer. Zum anderen ist das Signal von Eis stärker ortsabhängig. Letzteres liegt zum einen daran, dass das Signal einer mit Eis bedeckten Fahrbahnoberfläche von einer Anzahl im Eis eingeschlossener Luftbläschen beeinflusst wird. Zum anderen liefert bei einer eisbedeckten
Fahrbahn die Fahrbahnoberfläche selbst einen größeren Beitrag zum Signal, als bei einer schneebedeckten Fahrbahn, da das nahinfrarote Licht bei Schnee stark gestreut wird und bei Eis die Streuprozesse des Lichtes überwiegend an den im Eis eingeschlossenen Luftbläschen stattfinden. Dadurch erreicht das durch den optischen Sensor ausgesendete Licht bei einer eisbedeckten
Fahrbahnoberfläche im Vergleich zu einer schneebedeckten Fahrbahnoberfläche bei gleicher Schichtdicke den Untergrund mit einer signifikant höheren Intensität. Da es sich bei der Fahrbahnoberfläche in den meisten Fällen um eine
Asphaltoberfläche handelt, welche eine deutliche Makrostruktur aufweist, führt diese i.d.R. zu einem stärker ortsabhängigen Signal und somit zu einem entsprechend höheren Rauschanteil im Signal. Es sei darauf hingewiesen, dass im Zuge der Auswertung des Signal-Rausch-Verhältnisses auch der Einfluss unterschiedlicher Geschwindigkeiten des Fortbewegungsmittels berücksichtigt werden kann, indem der Rauschanteil des Signals beispielsweise auf eine jeweilige Geschwindigkeit des Fortbewegungsmittels normiert wird.
Darüber hinaus können durch die Auswerteeinheit auf Basis einer jeweiligen Höhe des Signal-Rausch-Verhältnisses auch entsprechende Mischformen zwischen Eis und Schnee festgestellt werden. Zur Bestimmung jeweiliger Mischformen kann eine Mehrzahl erster und/oder zweiter Schwellenwerte in der Speichereinheit abgelegt sein, welche jeweils eine konkrete Mischform von Zustandsformen des Wassers repräsentieren. Jeweilige Ergebnisse des
Klassifizierens auf Basis der Absolutwerte und/oder des Signal-Rausch- Verhältnisses können anschließend einzelnen im Fortbewegungsmittel verwendet, oder vor einer weiteren Verwendung in geeigneter Weise zu einem einzigen Ergebnis zusammengeführt werden.
In einem fünften Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die ermittelte Information über die feste Zustandsform des Wassers im Fortbewegungsmittel verwendet. Zu diesem Zweck kann die erfindungsgemäße Auswerteeinheit die jeweils ermittelte Information über das Bordnetz des Fortbewegungsmittels an ein oder mehrere Empfängersteuergeräte für diese Information übertragen. Als Empfängersteuergeräte kommen beispielsweise ein Steuergerät für einen hochautomatisierten Fährbetrieb zur Anpassung einer aktuellen Steuerung des Fortbewegungsmittels oder ein Bordcomputersystem zur Ausgabe einer
Information über die feste Zustandsform des Wassers an einen Fahrer des Fortbewegungsmittels in Frage. Darüber hinaus ist es auch denkbar, dass die ermittelte Information in weiteren Steuergeräten des Fortbewegungsmittels (z.B. in Fahrerassistenzsystemen) verwendet werden.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird beim Abgleichen der Absolutwerte des Signals mit dem ersten vordefinierten
Schwellenwert zusätzlich eine Information über einen aktuellen Einfederungsgrad eines Fahrwerks des Fortbewegungsmittels berücksichtigt. Auf diese Weise kann eine Zuverlässigkeit des Ergebnisses der Bewertung der Absolutwerte des Signals verbessert werden. Ein jeweils aktuell vorliegender Einfederungsgrad des Fahrwerks kann beispielsweise durch einen Beschleunigungssensor und/oder einen Höhenstandssensor und/oder einen Inertialsensor des
Fortbewegungsmittels erfasst und in jeweils korrespondierenden Steuergeräten (z.B. durch die erfindungsgemäße Auswerteeinheit) ermittelt werden. Auf Basis des ermittelten Einfederungsgrades des Fortbewegungsmittels können dadurch verursachte unerwünschte Veränderungen des Signals des optischen Sensors durch die Auswerteeinheit entsprechend kompensiert werden. Im Zuge des Kompensierens können durch die Auswerteeinheit jeweilige Werte des Signals des optischen Sensors und/oder die ersten und/oder zweiten Schwellenwerte in geeigneter Weise angepasst werden. Alternativ kann das durch den optischen Sensor erzeugte Signal in Phasen einer für das erfindungsgemäße Verfahren ungünstigen Einfederung des Fahrwerks des Fortbewegungsmittels auch verworfen werden, oder bei einer eventuellen Mittelwertbildung über mehrere Messwerte entsprechend geringer gewichtet werden. D. h., dass in solchen Phasen keine aktuellen Informationen über die feste Zustandsform des Wassers ermittelt werden. Stattdessen können die vor dem Eintreten einer solchen Phase ermittelten Informationen während einer solchen Phase unverändert
weiterverwendet werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird das Klassifizieren der festen Zustandsform des Wassers auf der Fahrbahnoberfläche zusätzlich auf Basis weiterer Sensoren des Fortbewegungsmittels durchgeführt. Hierfür können beispielsweise Signale einer die Fahrbahn erfassenden Kamera und/oder eines Schallwandlers und/oder eines Temperatursensors und/oder eines Ultraschallsensors des Fortbewegungsmittels verwendet werden, die durch die erfindungsgemäße Auswerteeinheit über das Bordnetz empfangen werden können. So kann eine Unterscheidung zwischen Eis und Schnee auf Basis des Signals der Kamera beispielswiese dadurch erfolgen, dass durch Eis und Schnee erzeugte, unterschiedliche Lichtreflexionen auf der Fahrbahnoberfläche in der Auswerteeinheit ermittelt werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird zusätzlich eine Schichtdicke des Wassers in dessen jeweiliger fester
Zustandsform auf Basis des Signals ermittelt. Hierzu kann bevorzugt ein logarithmisches Intensitätsverhältnis zweier Wellenlängen bzw.
Wellenlängenbereiche des Signals des optischen Sensors des
Fortbewegungsmittels mittels der Auswerteeinheit bewertet werden. Auf Basis eines Ergebnisses dieser Bewertung kann eine entsprechende Schichtdicke des Wassers in dessen jeweiliger fester Zustandsform bestimmt werden. Die ermittelte Information über die Schichtdicke kann beispielsweise vorteilhaft im Zusammenhang mit der Klassifikation der festen Zustandsform von Wasser auf der Fahrbahnoberfläche eingesetzt werden, da sich in Abhängigkeit einer jeweiligen Schichtdicke unterschiedliche Spektren für das Signal ergeben können.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann das Ermitteln der festen Zustandsform von Wasser auf der Fahrbahnoberfläche auf Basis eines Verfahrens zum maschinellen Lernen erfolgen. Zu diesem Zweck können bevorzugt aus dem Stand der Technik bekannte Algorithmen (z.B.
Support Vector Machine, Random Forest, oder ein Deep-Learning Verfahren eines künstlichen neuronalen Netzes) für ein überwachtes oder teilüberwachtes Lernen eingesetzt werden, welche als Bestandteil des oben beschriebenen Computerprogramms realisiert sein können. Auf diese Weise können die unterschiedlichen Zustandsformen des Wassers im Zuge der Auswertung von Labor-Referenzmessungen (breitbandig oder mit verschiedenen schmalbandigen Wellenlängen- bzw. Wellenlängenbereichen), Simulationen und/oder einer oder mehrerer Trainingsfahrten des Fortbewegungsmittels und/oder eines dedizierten Trainingsfortbewegungsmittels durch das Verfahren zum maschinellen Lernen mittels der erfindungsgemäßen Auswerteeinheit trainiert werden. Anschließend kann eine auf diese Weise trainierte Konfiguration des Algorithmus im
Fortbewegungsmittel selbst angewendet und/oder auf weitere
Fortbewegungsmittel übertragen (z.B. Im Zuge eines Herstellungsprozesses der Fortbewegungsmittel) und dort angewendet werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird zusätzlich ein Konfidenzwert für die feste Zustandsform des Wassers ermittelt.
Der Konfidenzwert kann z.B. im Zusammenhang mit dem maschinellen Lernen zum Beispiel einem Abstand zu einer Trennebene verschiedener Klassen entsprechen.
Auch das Rauschen der Messwerte bzw. die Höhe des Messwertes kann in dem Konfidenzwert berücksichtigt werden.
Anschließend wird der Konfidenzwert im Fortbewegungsmittel verwendet, indem dieser beispielsweise im oben beschriebenen Steuergerät für einen hochautomatisierten Fährbetrieb und/oder in einem oder mehreren
Fahrerassistenzsystem(en) eingesetzt wird. Alternativ oder zusätzlich kann der Konfidenzwert auch im Zuge der Ausgabe der Information über die feste
Zustandsform des Wassers auf der Fahrbahnoberfläche an den Nutzer des Fortbewegungsmittels zu Anwendung kommen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird beim Klassifizieren der festen Zustandsform des Wassers eine Mehrzahl von Signalen des optischen Sensors berücksichtigt, welche jeweils an
unterschiedlichen Positionen des Fortbewegungsmittels empfangen wurden. Auf diese Weise lässt sich die stärkere Ortsabhängigkeit des Signals im
Zusammenhang mit einer eisbedeckten Fahrbahn im Vergleich zu einer schneebedeckten Fahrbahn nicht nur im oben beschriebenen Signal-Rausch- Verhältnis eines einzelnen Messsignals des optischen Sensors feststellen, sondern auch durch eine stärkere Variation von Signalwerten zwischen unterschiedlichen Messsignalen des optischen Sensors.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum Ermitteln einer festen Zustandsform von Wasser auf einer
Fahrbahnoberfläche vorgeschlagen. Die Vorrichtung umfasst eine
Auswerteeinheit mit einem Dateneingang und einem Datenausgang und kann Bestandteil eines bestehenden Steuergerätes oder ein eigenständiges
Steuergerät des Fortbewegungsmittels sein. Des Weiteren kann die
Auswerteeinheit beispielsweise als ASIC, FPGA, Prozessor, digitaler
Signalprozessor, Mikrocontroller, o.ä., ausgestaltet und informationstechnisch an eine interne und/oder externe Speichereinheit angebunden sein, in welcher durch die Auswerteeinheit empfangene und/oder berechnete Daten für eine
nachfolgende Verarbeitung abgelegt werden können. Ferner kann die
Auswerteeinheit eingerichtet sein, oben beschriebene erfindungsgemäße
Verfahrensschritte auf Basis eines die Verfahrensschritte implementierenden Computerprogramms auszuführen. Die Auswerteeinheit ist in Verbindung mit dem Datenausgang weiter eingerichtet, Licht einer Lichtquelle eines optischen Sensors eines Fortbewegungsmittels in einem vordefinierten Winkel auf eine Fahrbahnoberfläche auszusenden, wobei die Lichtquelle eingerichtet ist, Licht mit mindestens zwei voneinander abweichenden, vordefinierten Wellenlängen bzw. vordefinierten Wellenlängenbereichen auszusenden. Zu diesem Zweck kann die Auswerteeinheit über ein (Teil-) Bordnetz des Fortbewegungsmittels informationstechnisch mit dem optischen Sensor verbunden sein. Das die beiden Komponenten verbindende (Teil-) Bordnetz kann beispielsweise ein aus dem Stand der Technik bekanntes Fahrzeugbussystem einsetzen (z.B. CAN, MOST, FlexRay, Ethernet, usw.). In Verbindung mit dem Dateneingang ist die
Auswerteeinheit ferner eingerichtet, ein Signal eines Lichtdetektors des optischen Sensors repräsentierend eine Intensität des durch eine Fahrbahnoberfläche zum optischen Sensor zurückgestreuten Anteils des ausgesendeten Lichts zu empfangen. Die Auswerteeinheit ist außerdem eingerichtet, eine feste
Zustandsform von Wasser auf Basis eines Verhältnisses empfangener Werte für Lichtintensitäten der der jeweiligen vordefinierten Wellenlängen bzw.
vordefinierten Wellenlängenbereiche innerhalb des Signals zu ermitteln. Die Auswerteeinheit ist zusätzlich eingerichtet, eine feste Zustandsform von Wasser auf der Fahrbahnoberfläche durch Abgleichen von Absolutwerten des Signals mit einem ersten vordefinierten Schwellenwert und/oder Abgleichen eines Signal- Rausch-Verhältnisses des Signals mit einem zweiten vordefinierten
Schwellenwert zu klassifizieren. Wiederum in Verbindung mit dem Datenausgang ist die Auswerteeinheit eingerichtet, die ermittelte Information über die feste Zustandsform des Wassers im Fortbewegungsmittel zu verwenden. Hierfür kann die Auswerteeinheit die ermittelte Information über das (Teil-) Bordnetz des Fortbewegungsmittels an ein oder mehrere Empfängersteuergeräte übertragen, welche auf Basis der Information beispielsweise eine hochautomatisierte
Steuerung des Fortbewegungsmittels an die ermittelten Umweltbedingungen anpassen kann. Auf diese Weise kann beispielsweise bei vorhandener Schnee- und/oder Eisglätte eine Geschwindigkeit des Fortbewegungsmittels automatisch reduziert werden, so dass u.a. ein Unfallrisiko für das Fortbewegungsmittel gesenkt werden kann.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. Dabei zeigen:
Figur 1 ein Flussdiagramm veranschaulichend Schritte eines
Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
Figur 2 eine schematische Übersicht einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung in Verbindung mit einem Fortbewegungsmittel; Figur 3a ein Vergleichsbeispiel eines Spektrums eines ersten Signals und eines zweiten Signals eines optischen Sensors eines Fortbewegungsmittels; und
Figur 3b ein Vergleichsbeispiel eines Spektrums eines dritten Signals und eines vierten Signals eines optischen Sensors eines Fortbewegungsmittels.
Ausführungsformen der Erfindung
Figur 1 zeigt ein Flussdiagramm veranschaulichend Schritte eines
Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Ermitteln eines Fahrbahnzustands. Im Schritt 100 wird Licht einer LED-Lichtquelle eines optischen Sensors eines Fortbewegungsmittels in einem vordefinierten Winkel von 20° auf eine durch das Fortbewegungsmittel befahrene Fahrbahnoberfläche ausgesendet. Die LED-Lichtquelle ist eingerichtet, Licht mit mindestens zwei voneinander abweichenden, vordefinierten Wellenlängen bzw. vordefinierten Wellenlängenbereichen auszusenden. Der optische Sensor wird mittels einer erfindungsgemäßen Auswerteeinheit angesteuert, welche hier ein Mikrocontroller ist. Zu diesem Zweck ist die erfindungsgemäße Auswerteeinheit über einen FlexRay-Bus des Fortbewegungsmittels informationstechnisch mit dem optischen Sensor verbunden. Im Schritt 200 empfängt die Auswerteeinheit ein Signal eines Lichtdetektors des optischen Sensors repräsentierend eine Intensität eines durch die Fahrbahnoberfläche zum optischen Sensor zurückgestreuten Anteils des ausgesendeten Lichts. Das Signal wird in Form digitaler Daten in der
Auswerteeinheit empfangen und durch die Auswerteeinheit in einer internen Speichereinheit der Auswerteeinheit abgelegt. Im Schritt 300 wird durch die Auswerteeinheit eine feste Zustandsform von Wasser auf der
Fahrbahnoberfläche auf Basis eines Verhältnisses empfangener Werte für Lichtintensitäten der jeweiligen vordefinierten Wellenlängen bzw. vordefinierten Wellenlängenbereiche innerhalb des Signals zu ermitteln. Im Schritt 400 wird mittels der Auswerteeinheit die feste Zustandsform des Wassers auf der
Fahrbahnoberfläche klassifiziert. Zu diesem Zweck werden Absolutwerte des Signals mit einem in der Speichereinheit abgelegten, ersten vordefinierten Schwellenwert abgeglichen. Das Abgleichen ergibt aufgrund niedriger
Absolutwerte des Signals in diesem Ausführungsbeispiel, dass die Fahrbahn eisbedeckt ist. Im Schritt 600 wird die Schichtdicke des Eises auf der
Fahrbahnoberfläche ermittelt. Im nachfolgenden Schritt 700 wird ein
Konfidenzwert für eine Zuverlässigkeit der Klassifizierung der festen
Zustandsform des Wassers ermittelt. Im Schritt 500 und Schritt 800 wird der Konfidenzwert mit dem Ergebnis für die feste Zustandsform des Wassers kombiniert und in Form eines Bussignals an ein Steuergerät für einen
hochautomatisierten Fährbetrieb übertragen. In diesem Steuergerät wird das Ergebnis unter Berücksichtigung des Konfidenzwertes anschließend für eine Anpassung der Steuerung des Fortbewegungsmittels eingesetzt.
Figur 2 zeigt eine schematische Übersicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in Verbindung mit einem Fortbewegungsmittel 80. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst eine Auswerteeinheit 10, die hier ein Mikrocontroller ist. Die Auswerteeinheit 10 ist mit einer externen Speichereinheit 20
informationstechnisch verbunden und eingerichtet, oben beschriebene erfindungsgemäße Verfahrensschritte auf Basis eines Computerprogramms auszuführen. Des Weiteren ist die Auswerteeinheit 10 über einen Dateneingang 12 und einen Datenausgang 14 informationstechnisch über ein Teilbordnetz des Fortbewegungsmittels 80 mit einem optischen Sensor 30 verbunden, welcher in einem Winkel von 20° bezüglich der Fahrbahnoberfläche 70 ausgerichtet und im Unterbodenbereich des Fortbewegungsmittels 80 angeordnet ist. Das
Teilbordnetz ist hier auf Ethernet-Basis realisiert. Eine die Fahrbahnoberfläche 70 erfassende, im Frontbereich des Fortbewegungsmittels 80 angeordnete Kamera 40 ist ebenfalls informationstechnisch über das genannte Teilbordnetz mit der Auswerteeinheit 10 verbunden. Auf Basis eines Signals der Kamera 40 ist die Auswerteeinheit 10 in der Lage, einen durch das erfindungsgemäße
Verfahren zu ermittelnden Fahrbahnzustand zu plausibilisieren. Ferner ist die Auswerteeinheit 10 über den Datenausgang 14 informationstechnisch über das Teilbordnetz mit einem Steuergerät 50 für einen hochautomatisierten Fährbetrieb verbunden. Ein durch die Auswerteeinheit 10 auf Basis des erfindungsgemäßen Verfahrens ermitteltes Ergebnis des erfindungsgemäßen Verfahrens wird über den Datenausgang 14 in Form eines digitalen Signals an das Steuergerät 50 für den hochautomatisierten Fährbetrieb übertragen. Das Steuergerät 50 für den hochautomatisierten Fährbetrieb verwendet das Ergebnis des
erfindungsgemäßen Verfahrens zum Anpassen einer aktuellen Steuerung für das Fortbewegungsmittel 80. Figur 3a zeigt ein Vergleichsbeispiel eines Spektrums eines ersten breitbandig erfassten Signals 60 und eines zweiten breitbandig erfassten Signals 62 eines optischen Sensors eines Fortbewegungsmittels. Das erste Signal 60
repräsentiert ein Signal, welches durch den optischen Sensor erfasst wird, wenn eine Fahrbahnoberfläche derart mit Schnee bedeckt ist, dass dieser überwiegend nur in Poren der Fahrbahnoberfläche vorliegt und die Fahrbahnoberfläche somit nicht vollständig mit Schnee bedeckt ist. Das zweite Signal 62 repräsentiert ein Signal, welches durch den optischen Sensor erfasst wird, wenn die
Fahrbahnoberfläche mit einer dünnen Eisschicht bedeckt ist. Aus dem
Vergleichsbeispiel geht hervor, dass sich Werte von Reflexionsfaktoren des ersten und zweiten Signals hinreichend stark unterscheiden, um auf Basis des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Klassifizierung des jeweiligen Signals hinsichtlich einer schneebedeckten oder einer eisbedeckten Fahrbahn durchführen zu können.
Figur 3b zeigt ein Vergleichsbeispiel eines Spektrums eines dritten breitbandig erfassten Signals 64 und eines vierten breitbandig erfassten Signals 66 eines optischen Sensors eines Fortbewegungsmittels. Das dritte Signal 64
repräsentiert ein Signal, welches durch den optischen Sensor erfasst wird, wenn eine Fahrbahnoberfläche vollständig mit einer durchgehenden Schneeschicht bedeckt ist. Das vierte Signal 66 repräsentiert ein Signal, welches durch den optischen Sensor erfasst wird, wenn die Fahrbahnoberfläche mit einer dicken Eisschicht bedeckt ist. Aus dem Vergleichsbeispiel geht hervor, dass sich Werte von Reflexionsfaktoren des dritten und vierten Signals hinreichend stark unterscheiden, um auf Basis des erfindungsgemäßen Verfahrens eine
Klassifizierung des jeweiligen Signals hinsichtlich einer schneebedeckten oder einer eisbedeckten Fahrbahn durchführen zu können.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Ermitteln einer festen Zustandsform von Wasser auf einer Fahrbahnoberfläche (70) umfassend die Schritte:
• Aussenden (100) von Licht einer Lichtquelle eines optischen Sensors (30) eines Fortbewegungsmittels (80) in einem vordefinierten Winkel auf die Fahrbahnoberfläche (70), wobei die Lichtquelle eingerichtet ist, Licht mit mindestens zwei voneinander abweichenden, vordefinierten Wellenlängen bzw. vordefinierten Wellenlängenbereichen auszusenden,
• Empfangen (200) eines Signals eines Lichtdetektors des optischen Sensors (30) repräsentierend eine Intensität eines durch die Fahrbahnoberfläche (70) zum optischen Sensor (30)
zurückgestreuten Anteils des ausgesendeten Lichts,
• Ermitteln (300) einer festen Zustandsform von Wasser auf einer
Fahrbahnoberfläche (70) auf Basis eines Verhältnisses empfangener Werte für Lichtintensitäten der jeweiligen vordefinierten Wellenlängen bzw. vordefinierten Wellenlängenbereiche innerhalb des Signals,
• Klassifizieren (400) der festen Zustandsform von Wasser auf der
Fahrbahnoberfläche (70) durch
o Abgleichen von Absolutwerten des Signals mit einem ersten vordefinierten Schwellenwert, und/oder
o Abgleichen eines Signal-Rausch-Verhältnisses des Signals mit einem zweiten vordefinierten Schwellenwert, und
• Verwenden (500) der ermittelten Information über die feste
Zustandsform des Wassers im Fortbewegungsmittel (80).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die Lichtquelle
• ein einzelnes oder eine Mehrzahl von Leuchtmitteln umfasst, und/oder
• eine Laserlichtquelle oder eine LED-Lichtquelle ist, und/oder
• dazu ausgebildet ist, nahinfrarotes Licht auszusenden, dessen
Wellenlänge bevorzugt im Bereich zwischen 800 nm und 3000 nm liegt.
3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der
vordefinierte Winkel des optischen Sensors (30) des Fortbewegungsmittels (80) bezüglich der Fahrbahnoberfläche (70) ein Winkel zwischen 10° und 54°, insbesondere ein Winkel zwischen 15° und 35°, und bevorzugt ein Winkel von 20° ist.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei beim
Abgleichen der Absolutwerte des Signals mit dem ersten vordefinierten Schwellenwert zusätzlich eine Information über einen aktuellen
Einfederungsgrad eines Fahrwerks des Fortbewegungsmittels (80) berücksichtigt wird.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das
Klassifizieren (400) der festen Zustandsform von Wasser auf der
Fahrbahnoberfläche (70) zusätzlich auf Basis weiterer Sensoren (40) des Fortbewegungsmittels (80) erfolgt.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche weiter umfassend Ermitteln (600) einer Schichtdicke des Wassers in dessen jeweiliger fester Zustandsform auf Basis des Signals.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Ermitteln der festen Zustandsform von Wasser auf der Fahrbahnoberfläche auf Basis eines Verfahrens zum maschinellen Lernen erfolgt.
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche weiter umfassend
• Ermitteln (700) eines Konfidenzwertes für die feste Zustandsform des Wassers, und
• Verwenden (800) des Konfidenzwertes im Fortbewegungsmittel (80).
9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei beim
Klassifizieren (400) der festen Zustandsform des Wassers eine Mehrzahl von Signalen des optischen Sensors (30) berücksichtigt wird, welche jeweils an unterschiedlichen Positionen des Fortbewegungsmittels (80) empfangen wurden.
10. Vorrichtung zum Ermitteln einer festen Zustandsform von Wasser auf einer Fahrbahnoberfläche (70), umfassend:
• eine Auswerteeinheit (10),
• einen Dateneingang (12), und
• einen Datenausgang (14),
wobei die Auswerteeinheit (10) eingerichtet ist,
• in Verbindung mit dem Datenausgang (12) Licht einer Lichtquelle eines optischen Sensors (30) eines Fortbewegungsmittels (80) in einem vordefinierten Winkel auf eine Fahrbahnoberfläche (70) auszusenden, wobei die Lichtquelle eingerichtet ist, Licht mit mindestens zwei voneinander abweichenden, vordefinierten Wellenlängen bzw. vordefinierten Wellenlängenbereichen auszusenden,
• in Verbindung mit dem Dateneingang (12) ein Signal eines
Lichtdetektors des optischen Sensors (30) repräsentierend eine Intensität eines durch die Fahrbahnoberfläche (70) zum optischen Sensor (30) zurückgestreuten Anteils des ausgesendeten Lichts zu empfangen,
• eine feste Zustandsform von Wasser auf einer Fahrbahnoberfläche auf Basis eines Verhältnisses empfangener Werte für Lichtintensitäten der jeweiligen vordefinierten Wellenlängen bzw. vordefinierten Wellenlängenbereiche innerhalb des Signals zu ermitteln,
• die feste Zustandsform von Wasser auf der Fahrbahnoberfläche (70) durch
o Abgleichen von Absolutwerten des Signals mit einem ersten vordefinierten Schwellenwert, und/oder
o Abgleichen eines Signal-Rausch-Verhältnisses des Signals mit einem zweiten vordefinierten Schwellenwert,
zu klassifizieren, und
• in Verbindung mit dem Datenausgang (14) die ermittelte feste
Zustandsform des Wassers im Fortbewegungsmittel (80) zu verwenden.
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