WO2021037710A1 - Verfahren und vorrichtung zur echtzeitbestimmung von eigenschaften einer von einem fahrzeug momentan befahrenen fahrbahn - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur echtzeitbestimmung von eigenschaften einer von einem fahrzeug momentan befahrenen fahrbahn Download PDF

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Konrad - c/o Continental Automotive GmbH HILARIUS
Jürgen - c/o Continental Automotive GmbH LEIMBACH
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Continental Automotive Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to the determination of surface conditions, in particular to the determination of those conditions of surfaces of roadways which are important for driving vehicles on.
  • the static friction properties play a major role in the adhesion between the tread of the tire and the road surface, which in turn is the maximum possible acceleration or deceleration and the lateral lane guidance significantly influenced.
  • a driver of a land vehicle In order to prevent the wheels from spinning and the vehicle slipping away, a driver of a land vehicle must visually detect a state of a section of the road ahead in the direction of travel and adapt the speed of the vehicle and the steering movements in advance.
  • a temperature sensor present in many vehicles for determining the ambient temperature of the vehicle can only determine the air temperature at a distance from the road surface. From this it can be estimated whether a road is possibly slippery, especially after prolonged cold spells in which the ground has cooled down significantly, an indicated air temperature that is sufficiently above the freezing point of water can lead to the erroneous assumption that a layer of ice cannot form on the road surface. Even the combination of current temperature data with data from a rain sensor available for automatic control of the windshield wipers of the vehicle or a camera provided for this does not provide any reliable information about the actual road condition. It cannot with it, for example it can be determined whether a road is still slippery or whether de-icing agent or sand has already been applied.
  • the sensors for driving dynamics systems available in many vehicles can also provide information about the conditions of the road surface, but only for an area of the road surface that is already under the vehicle or under the contact patch of the tires. A predictive adjustment of the speed and driving style is therefore not possible for a single vehicle.
  • meaningful sensor values are only available shortly before or when a limit range is reached, so that, for example, with a very cautious driver, none of the driving dynamics systems would respond and detect a possibly slippery road.
  • the individual tires of the vehicle i.e. tire type, tread type, tread depth, tire pressure, and the like play an essential role for the flaking between the road surface and the contact area of the tire and thus for the point in time at which a vehicle dynamics system would actively intervene.
  • Vehicles are increasingly being provided with means of communication by means of which they can exchange information about traffic situations and also road or lane conditions with one another.
  • These means of communication include, for example, the concepts and systems known by the abbreviations Car-to-Car (C2C) or Vehicle-to-Vehicle (V2V) for direct communication between vehicles.
  • Systems which enable vehicles to communicate with one another, if necessary via fixed transmitting and receiving stations on the road, are known under the abbreviations Car-to-X (C2X) or Vehicle-to-X (V2X).
  • C2X Car-to-X
  • V2X Vehicle-to-X
  • vehicles driving ahead or oncoming vehicles can report actually determined conditions of the road surface by analyzing their sensors for vehicle dynamics systems, but with the restrictions of accuracy as explained in the preceding paragraph.
  • the mere possibility of communication between vehicles does not offer any advantage if there is no other vehicle within communication range that has detected and can transmit states of the road surface.
  • Another object of the present invention is to provide a method for improved vehicle dynamics control based on the detected surface condition and a corresponding device for a land vehicle.
  • a method for real-time determination of a surface condition of a roadway currently being driven on by a vehicle comprises the optical detection of the light reflected from a surface of a roadway section illuminated by a light source.
  • the detection takes place at several discrete wavelengths or wavelength ranges.
  • the properties of the light source in particular the intensity or amplitude of the light hitting the road surface, are known for the multiple discrete wavelengths or wavelength ranges, so that from the proportions of the reflected light at the multiple discrete wavelengths or wavelength ranges which, taken together, represent a spectral fingerprint , conclusions can be drawn about the condition of the road surface. It does not matter whether the road section is illuminated with light in discrete wavelengths or wavelength ranges, or with light that is present in a continuous spectrum, as long as the amplitudes of the light in the detected wavelengths or wavelength ranges are known.
  • the method according to the first aspect further comprises determining the ratios of light incident on the road surface and light reflected at the several wavelengths or wavelength ranges to one another, and the provision of reference values of the ratios of incident and reflected light to one another for a large number of surface conditions of a large number of different road surfaces.
  • the method according to the first aspect also comprises comparing the ratios of incident and reflected light determined for the road section at the multiple discrete wavelengths or wavelength ranges to one another with the reference values provided for the multiple surface conditions for a large number of different road pavements.
  • the degree of correspondence between the ratios of incident and reflected light with the corresponding reference values indicates a probability of the presence of a specific road surface and surface condition.
  • the method includes, in addition to detecting the light reflected from the road surface, determining the intensities of the light incident on the road surface from the light source at the multiple discrete wavelengths or wavelength ranges, i.e. determining spectral properties of the light source.
  • the spectral properties of the light source are determined at least for the wavelengths or wavelength ranges in which the light reflected from the road surface is detected.
  • the amplitudes in the respective recorded wavelengths or wavelength ranges are of particular interest here.
  • the recorded spectral properties of the light source are used in the method as normal values to which the recorded values of the reflected light are set in relation.
  • the determination of the spectral properties of the light source can also be carried out with sensors arranged at known installation locations on the vehicle.
  • the respective installation location and the respective direction of incidence of light and the distance from the light source can be used to determine correction values.
  • This embodiment is particularly advantageous when the light from an external light source is used to determine surface conditions, for example the light from the sun, oncoming vehicles or vehicles driving ahead, or street lighting.
  • Sunlight has a well-known spectrum, so it is comparatively easy to determine the intensity of the light hitting the road surface at the wavelengths or wavelength ranges detected. In addition, the sun is very far away, so the direction of the incidence of light can easily be determined.
  • the direction and distance of a light source can be determined, for example, by means of cameras arranged on the vehicle, for example cameras for lane keeping assistants or traffic sign recognition and the like.
  • the use of radar or lidar sensors arranged on the vehicle for detecting the direction and distance is also conceivable.
  • the frequency analysis method must be adapted from near-field to suitable far-field methods according to the distance between the light source.
  • the light source is arranged on the vehicle which is carrying out the method.
  • the light source is set up to illuminate the roadway section one after the other with light in one of the several discrete wavelengths or wavelength ranges. This can be done, for example, with a corresponding headlight which repeatedly illuminates the road surface with light of different wavelengths or wavelength ranges.
  • different road sections are at least partially illuminated with light of different wavelengths or wavelength ranges.
  • the sequence of lighting with the different colors and the recording of images with the camera are synchronized accordingly.
  • a suitable light source is, for example, a headlight that illuminates the roadway with light in the primary colors red, green and blue. If the color change is sufficiently rapid, the lighting is perceived by a human observer as white light, so that appropriately equipped headlights or fog lights of the vehicle can be used for the lighting.
  • Suitable illuminants that emit light at one wavelength or in a comparatively narrow wavelength range with sufficient power and enable rapid switching on and off are available in the form of light-emitting diodes. If light in particularly narrow-band wavelength ranges is required, quantum dot light-emitting diodes or laser light sources can be used.
  • white light sources which, by means of suitable color filters, generate monochromatic light in the desired wavelengths or wavelength ranges.
  • the color filters can also be set up as replaceable filters, so that light of different colors can be generated by means of a white light source.
  • the light source and the sensor can be arranged on the underside of the vehicle, for example in the middle below the vehicle.
  • the distance between the light source and the road surface as well as the road surface and the sensor can be kept particularly small.
  • suitable lens systems can be provided.
  • the method also includes receiving one or more sensor values or additional information from the incomplete group including a local temperature, a date, a time of day, a geographical position, and a local or regional weather report.
  • the method can include receiving static or only slowly changing roadway properties from a database, such as, for example, the material of the roadway, surface roughness and the like.
  • the database can be arranged in a vehicle which is set up to carry out the method, for example in a database of a navigation system, or can be arranged outside the vehicle and connected to it via a data connection.
  • the sensor values and additional information can be used, for example, to check the plausibility of a condition of the surface of a roadway determined using the method.
  • a condition of the surface of a roadway determined with the method does not correspond to a measured local outside temperature, a season, a time of day, e.g. day or night, a fleas determined via the date and geographical position, e.g. northern or southern flemisphere above sea level and / or a local or regional weather report fits, for example the method in a coastal region determines an icy roadway at noon in floch summer, then it can be assumed with a high probability that the method has determined an incorrect state. The result of the method can then be discarded, the sensors can be checked, or the application of the method is suspended until further notice, e.g. until the sensors have been checked or repaired in a workshop.
  • the one or more sensor values or additional information and / or roadway properties can also be used for a preselection of reference values for the comparison. If, for example, a surface of a currently traveled road section is known, or its type or properties, reference values for other surfaces can be excluded from the comparison, which reduces the effort for the comparison and the probability of an incorrect result.
  • the method also comprises linking a determined surface condition with an associated geographic position and transmitting the determined surface condition and the linked geographic position to one or more vehicles located in a certain radius or to an external database.
  • the geographical position required in some embodiments of the method can be provided, for example, by a navigation system arranged in the vehicle.
  • the transmission to one or more vehicles located within a certain radius does not necessarily refer to a radius around the location at which a surface condition was determined, but can also refer to the transmission to oncoming vehicles located on the same road section at a later point in time .
  • the limitation to a certain radius is only intended to ensure that there is no transmission to vehicles which are located on a road section of another road in the vicinity.
  • the transmission to an external database can take place via a cellular network or via receivers of a C2X system placed on the street.
  • the transmission of the determined surface condition of a road section to other vehicles makes it possible to prevent vehicles which do not have devices for detecting a surface condition from a bad road condition or dangerous surface conditions Warn sections of the road.
  • such vehicles can retrieve the information from the database, for example in accordance with a route planned in a navigation system or for a region in which the vehicle is located.
  • the light source illuminates the lane section ahead in the direction of travel.
  • the reflected portions of the light are naturally smaller than in the case of an arrangement of light source and sensor, which are optimally arranged at a fixed angle to one another. Nevertheless, because of the always existing roughness of the surface of the roadway, a certain proportion of the light will be reflected back, which can be used for the detection of surface properties of a roadway.
  • the light source illuminates the roadway section with light of a specific polarization.
  • the portion polarized perpendicular to a plane of polarization is reflected more strongly than the portion polarized parallel to the plane of polarization. This effect can also be used to detect layers of ice or water films on road surfaces.
  • the method also includes the detection of the vehicle model.
  • This information can be used to call up properties of the lighting used in this vehicle model from a database, in particular properties relating to the spectrum of the vehicle lighting.
  • the vehicle model can be identified, for example, by means of image recognition, whereby features such as the shape, the distance, and the arrangement of the headlights to one another or the outline of the vehicle can be used.
  • the images fed to the image recognition can come, for example, from a camera which Traffic sign recognition or a lane departure warning system is available anyway.
  • the vehicle model can also be replaced by a
  • Vehicle-to-vehicle communication can be determined. Properties of the light source can also be transmitted from the vehicle whose light source illuminates the roadway.
  • a suitable means for capturing light in several discrete wavelengths or wavelength ranges is, for example, a color camera which composes color images from image points recorded in the primary colors red, green and blue. This color camera can be seen as a minimalistic multispectral sensor.
  • CMOS or CCD sensors used in today's color cameras can often already be used in these wavelength ranges; all that matters is the attachment of suitable filter layers.
  • These light sources whose properties are known and which are located in a favorable spatial arrangement in relation to cameras installed in the exterior mirrors and looking down, can also be used to determine the condition of the surface of the roadway, albeit only the condition of one below of the vehicle located lane section can be determined. If necessary, these light sources have to be modified or supplemented in order to provide illumination at further required discrete wavelengths or wavelength ranges.
  • a method for real-time determination of a surface condition of a roadway currently being driven on by a vehicle comprises the emission of sound waves with different frequencies onto a section of the roadway surface.
  • the sound waves can be emitted at discrete frequencies or as noise with a known spectral distribution, for example via a loudspeaker arranged close to the surface.
  • a frequency sweep or chirp can also be used for this method.
  • reference spectra provided for certain tire types and tread depths can be used, which were determined for driving on certain road surfaces at different speeds. The tread depth can, for example, be determined after resetting when fitting new tires on the basis of the distance covered. A change between summer and winter tires can also be taken into account accordingly.
  • the method according to the second aspect also comprises the recording of sound waves reflected from the section of the road surface with one or more sound sensors.
  • Directional microphones for example, can be used for this purpose.
  • the method according to the second aspect further comprises comparing the amplitudes of the sound waves recorded for the road section at the different frequencies with reference values provided for a large number of surface conditions for a large number of different road surfaces, wherein the degree of correspondence with one of the reference values indicates a corresponding probability of the presence of an associated road surface and surface condition.
  • acoustic reflection spectra are used to record the surface condition of a roadway. It is easy to see here that a comparatively smooth and closed layer of ice on a roadway reflects a different spectrum of sound waves than a rather open-pored surface of a roadway not covered by ice.
  • the methods according to the first and the second aspect can also be combined, for example in order to increase the recognition accuracy, for example when two materials are similar in terms of acoustic properties, for example surface hardness, roughness, damping, scattering.
  • the optical detection can provide further information that provides information about the condition of the surface.
  • the relationships between optical and acoustic detection can be modeled and optimized for machine learning using suitable input parameters.
  • a method for dynamically influencing a driving dynamics control of a vehicle as a function of a state of a road surface comprises a real-time determination of the surface state of a currently traveled road by means of one or more of the methods described above, or the reception of a current state of a currently driven road, for example from other vehicles or an external database.
  • a vehicle dynamics control is to be understood in this context as a control which, by means of targeted interventions in the brake control, engine control, control of steering and / or chassis components, etc., has an influence on a currently maximum possible acceleration, deceleration, maximum speed and / or speed the change in the steering angle, etc., takes.
  • the vehicle dynamics control can be implemented in a single control unit, or in several control units, each with one or more of the above components.
  • Vehicle dynamics regulation can also be controlled or achieved in a summarized manner by a vehicle stability system (ESP system).
  • ESP system vehicle stability system
  • the method accordingly comprises activating the one or more control units that implement the vehicle dynamics control, or the corresponding control of an ESP system in order to achieve one of the effects listed in the following, non-exhaustive list, for example limiting a maximum for one Vehicle acceleration permissible torque on one or more wheels, automatic influencing of differentials on one or more axles of the vehicle, in particular the complete or partial locking of the differentials, the limitation of a maximum speed that can be reached, the reduction of a current speed to one depending on the condition of the road surface adjusted maximum value, or the limitation of the maximum speed of the change in the steering angle, for example by actively counter-holding by means of an electric power steering or by reducing the steering assistance.
  • an automatic steering intervention can lead the vehicle out of the ruts into a possibly dry area or area located next to the ruts where no closed water film has formed.
  • the steering intervention naturally takes place within the framework of the available lane width, taking into account the width of the vehicle, and also taking into account the presence of other road users.
  • properties of the tires of the vehicle and of the vehicle drive are taken into account, that is to say whether the vehicle is driven on one axle or on all axles.
  • the method includes receiving properties of the tires of the vehicle and data describing the vehicle drive.
  • sensor data from the vehicle dynamics control can be used to improve the reference values. If, for example, the visual or acoustic detection of the current surface condition indicates that there is no slippery road surface, but the slip control or ESP must intervene, then the properties determined for this section of the road by optical or acoustic detection can be reclassified with the properties actually determined when driving on to improve the reliability of the analysis. This can be done in the vehicle itself by an artificial intelligence or an entity set up for machine learning, which has the advantage that the vehicle's own sensors are better coordinated with one another, or in corresponding external entities that implement an artificial intelligence or machine learning. The result of the recursive improvement by the external instances can also be made available to other vehicles, with improved references or parameters of internal instances of machine learning or artificial intelligence also being able to be shared with other vehicles or a central database.
  • the reference values or reference patterns that are always required in the methods described above can be generated in advance by a large number of measurements under controlled and defined conditions. For this purpose, particularly precise measuring devices are used, the precision of which goes far beyond that of the sensors installed in the vehicles.
  • Machine learning or artificial methods can be used to generate a manageable number of reference values or reference patterns from the large number of measurements Intelligences are used. It is also conceivable to adjust the reference values or reference patterns regularly.
  • the surface conditions of lane sections determined by vehicles while driving and the associated values of the sensors used for detection can be fed back to the methods for machine learning or the artificial intelligence. As a result, among other things, the influence of the sensors that are usually comparatively less precise in the vehicles can be gradually reduced.
  • the methods described above can also be used to detect liquid or solid hazardous substances on the road surface.
  • Reference values for the different reflection and absorption properties of chemical substances for light at different wavelengths can also be provided for this purpose.
  • Corresponding devices can be provided, for example, in vehicles used by the fire brigade or the police.
  • the method described above can also be used to detect oil films on roadways. If an oil film is detected on a roadway, information can automatically be sent to a service that removes or neutralizes the oil film or cleans the road.
  • a demand-dependent street cleaning can also be triggered for these routes.
  • data about the properties of the camera system with which the image was recorded are transmitted together with the image in order to enable a corresponding perspective rectification of the camera image.
  • additional sensor data from the vehicle's wheel suspension or acoustic recordings from a microphone can be used, which have corresponding characteristics in the case of certain road damage.
  • Fig. 2 shows an exemplary representation of the spectrum of the
  • 5 shows an exemplary representation of the degree of reflection of different coverings on road surfaces
  • 6 shows an exemplary representation of the degree of reflection of water in the
  • Light source and a sensor for real-time determination of the surface condition of a roadway currently being used by a vehicle Light source and a sensor for real-time determination of the surface condition of a roadway currently being used by a vehicle
  • Light source and a sensor for real-time determination of the surface condition of a roadway currently being used by a vehicle Light source and a sensor for real-time determination of the surface condition of a roadway currently being used by a vehicle
  • Light source and a sensor for real-time determination of the surface condition of a roadway currently being used by a vehicle Light source and a sensor for real-time determination of the surface condition of a roadway currently being used by a vehicle
  • FIG. 10 shows a fourth schematic and greatly simplified arrangement of a light source and a sensor for real-time determination of a surface condition of a roadway currently being driven on by a vehicle
  • FIG. 11 shows a fifth schematic and greatly simplified arrangement of a light source and a sensor for real-time determination of a surface condition of a roadway currently being used by a vehicle.
  • FIG. 1 shows a greatly simplified flowchart of a method 100 according to the invention for real-time determination of a surface condition of a roadway currently being used by a vehicle according to the first or second aspect.
  • step 102 the light reflected from a surface of a roadway section illuminated by a light source with properties known for the discrete wavelengths or wavelength ranges is optically detected.
  • step 104 the ratios of the road surface impinging and reflected light at the multiple discrete wavelengths or wavelength ranges to one another, and compared in step 108 with reference values of the ratios of incident and reflected light at the multiple discrete wavelengths or wavelength ranges provided in step 106 for a multiplicity of surface conditions of a multiplicity of different road surfaces.
  • the degree of correspondence between the ratios of incident and reflected light with the corresponding reference values indicates a probability of the presence of a specific road surface and surface condition.
  • FIG. 2 shows an exemplary representation of the spectrum of solar radiation outside the earth's atmosphere at wavelengths between approximately 480 nm and 2400 nm, as an example of known properties of a light source that can be used for the method according to the invention.
  • the earth's atmosphere sometimes has very different permeabilities for different wavelengths, so that on the ground, i.e. on the surface of a roadway, not all wavelengths are present in the same proportions to one another.
  • FIG. 3 shows an exemplary representation of the permeability of the atmosphere over the spectrum of solar radiation in dry air without cloudiness, approximately at sea level.
  • a low permeability or strong absorption between 1300 nm and 1500 nm wavelength and between 1800 nm and 2000 nm wavelength can be clearly seen. If different surface conditions of roadways show particularly significant differences in these wavelength ranges, corresponding lighting must also be provided in daylight.
  • FIGS. 2 and 3 are approximately aligned with one another with respect to the wavelengths indicated on the abscissa, so that an assessment of the radiation energy actually hitting the ground under the indicated atmospheric conditions is facilitated.
  • FIG. 4 shows an exemplary representation of the degree of reflection of different typical roadway materials, in the figure for concrete, gravel or gravel and asphalt over a wavelength range of approx. 450 nm to 2500 nm.
  • the clearly different values of the reflection for all three materials at wavelengths in the range between 600 nm and about 1250 nm can be clearly seen.
  • the intensity of the solar radiation arriving on the ground is still comparatively high, see Figures 2 and 3, see above that a strong signal can be expected.
  • FIG. 5 shows an exemplary representation of the degree of reflection of different pavements on road surfaces in a wavelength range from approx. 400 nm to 2500 nm.
  • frost and fine grain snow fine grain snow
  • snow of medium grain size medium grain snow
  • snow of large grain size coarse grain snow
  • FIGS. 4 and 5 are approximately aligned with one another with respect to the wavelengths indicated on the abscissa in order to facilitate the comparison of the degrees of reflection.
  • FIG. 6 shows an exemplary representation of the degree of reflection of water in comparison to that of roadway materials.
  • the upper part of the figure corresponds to Figure 4.
  • Water has a comparatively low degree of reflection over all wavelengths compared to all three exemplary roadway materials, so that a largely closed water layer, which, for example, entails the risk of aquaplaning, over a large wavelength range is easily detectable.
  • the graphs shown in FIG. 6 are approximately aligned with one another with respect to the wavelengths indicated on the abscissa in order to facilitate the comparison of the degrees of reflection.
  • FIG. 7 shows a first schematic and greatly simplified arrangement of a light source 700 and a sensor 702 for real-time determination of a Surface condition of a roadway 706 currently being driven on by a vehicle 704.
  • the light source 700 and the sensor 702 are arranged, for example, in or on an exterior mirror not shown in the figure.
  • Sensor 702 can be, for example, a downward-facing camera arranged in or on the exterior mirror, which is used to generate a virtual bird's eye view and which records the area to the side of the vehicle.
  • light source 700 can also be used to illuminate the area next to the vehicle, which makes it easier for a driver or passenger to identify the ground next to the vehicle.
  • the light source can be used to project a manufacturer's logo or the like onto the background.
  • FIG. 8 shows a second schematic and greatly simplified arrangement of a light source 700 and a sensor 702 for real-time determination of a surface condition of a roadway 706 currently being driven on by a vehicle 704 falling extraneous light is reduced, which can lead to higher accuracy.
  • Figure 9 shows a third schematic and greatly simplified arrangement of a light source 700 and a sensor 702 for real-time determination of a surface condition of a roadway 706 currently being driven on by a vehicle 704.
  • the light source 700 is formed by the headlights of the vehicle 704, which are ahead in the direction of travel Illuminate the lying area of the road.
  • the light cone is indicated in the figure by the solid lines emanating from the headlights.
  • Sensor 702 is formed by one or more cameras, which are present, for example, for a lane departure warning function or traffic sign recognition.
  • camera 702 also records, among other things, the area of the roadway illuminated by headlights 700, indicated in the figure by the dashed arrows.
  • light source 700 comprises the headlights of an oncoming vehicle 708, which is also the roadway of the vehicle 704 illuminate.
  • the spectral properties of the light source 700 are not known in advance to the sensor 702 in vehicle 704, so the vehicle 708 can send these to the vehicle 704 via a wireless connection 710 in order to calibrate the sensor accordingly.
  • versions of vehicle-to-vehicle communication means according to different standards can be used.
  • the spectral properties of light source 700 can be stored in a corresponding memory of vehicle 708.
  • Sensor 702 in the example again a camera that can also be used for a lane departure warning function or traffic sign recognition, detects the area illuminated by light source 700 and evaluates the spectral properties of the light reflected from the road surface in comparison to the spectral properties transmitted by vehicle 708 of the light source 700 to determine the condition of the road surface.
  • FIG. 11 shows a fifth schematic and greatly simplified arrangement of a light source 700 and a sensor 702 for real-time determination of a surface condition of a roadway 706 currently being driven on by a vehicle 704.
  • the camera 702 can, in addition to the area of the roadway 706 illuminated by the light source 700, also detect the light source 700 itself and use the directly received spectrum as a reference.
  • the image of the vehicle 708 captured by the camera 702 can also be used to determine the vehicle type by means of image recognition and to retrieve properties from a database for the headlights used in the recognized vehicle type.

Abstract

Ein Verfahren zur Echtzeitbestimmung eines Oberflächenzustands einer von einem Fahrzeug momentan befahrenen Fahrbahn, umfasst das optische Erfassen, in mehreren diskreten Wellenlängen oder Wellenlängenbereichen, des von einer Oberfläche eines von einer Lichtquelle mit bei den diskreten Wellenlängen oder Wellenlängenbereichen bekannten Eigenschaften beleuchteten Fahrbahnabschnitts reflektierten Lichts, und das Bestimmen der Verhältnisse von auf die Fahrbahnoberfläche auftreffendem und reflektiertem Licht bei den mehreren diskreten Wellenlängen oder Wellenlängenbereichen. Anhand eines Vergleichs von bereitgestellten Referenzwerten der Verhältnisse von auftreffendem und reflektierten Licht bei den mehreren diskreten Wellenlängen oder Wellenlängenbereichen für eine Vielzahl von Oberflächenzuständen einer Vielzahl unterschiedlicher Fahrbahnbeläge mit den für den momentan befahrenen Fahrbahnabschnitt bestimmten Verhältnissen von auftreffendem und reflektiertem Licht bei den mehreren diskreten Wellenlängen oder Wellenlängenbereichen kann eine Wahrscheinlichkeit für das Vorliegen eines bestimmten Fahrbahnbelags und Oberflächenzustands bestimmt werden, die mit dem Grad der Übereinstimmung der Verhältnisse von auftreffendem und reflektiertem Licht mit den entsprechenden Referenzwerten eine Wahrscheinlichkeit korreliert. Ein verwandtes Verfahren nutzt reflektierte Schallwellen in ähnlicher Weise. Der ermittelte Oberflächenzustand kann für die Steuerung von Systemen zur Beeinflussung der Fahrdynamik genutzt werden.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zur Echtzeitbestimmung von Eigenschaften einer von einem Fahrzeug momentan befahrenen Fahrbahn
FELD
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Bestimmung von Oberflächenzuständen, insbesondere auf die Bestimmung derjenigen Zustände von Oberflächen von Fahrbahnen, die für das Befahren mit Fahrzeugen von Bedeutung sind.
HINTERGRUND
Viele Landfahrzeuge sind für den Betrieb auf mehr oder weniger gut ausgebauten, vorwiegend befestigen Straßen konzipiert oder werden auf solchen Straßen betrieben.
Während beim Betrieb von Landfahrzeugen auf unbefestigten Wegen und Straßen eine wesentliche Eigenschaft der Fahrbahnoberfläche das Vorhandensein von mehr oder weniger großen und tiefen Spurrinnen und Schlaglöchern oder die allgemeine Festigkeit der Fahrbahnoberfläche ist, und eine Eisschicht oder ein Wasserfilm als Zustand von eher untergeordneter Bedeutung sind, spielt die Veränderung vor allem der Haftreibeigenschaften der Fahrbahnoberfläche beispielsweise durch Schnee- oder Eisschichten, Wasser-, Öl- oder Schmierfilme auf befestigten Wegen und Straßen eine große Rolle für den sicheren Betrieb der Fahrzeuge. Dabei hängt der Grad der Veränderung der Haftreibeigenschaften durch diese in der Regel vorübergehend vorhandenen Beläge auch von der Oberflächenrauigkeit und dem Material der Oberfläche an sich ab, welche sich jedoch, wenn überhaupt, nur langsam verändern.
Die Haftreibeigenschaften spielen eine große Bedeutung für die Haftung zwischen der Lauffläche des Reifens und der Fahrbahnoberfläche, die wiederum die maximal mögliche Beschleunigung oder Verzögerung und die seitliche Spurführung maßgeblich beeinflusst.
Um also ein Durchdrehen der Räder und das Wegrutschen des Fahrzeugs zu vermeiden muss ein Fahrer eines Landfahrzeugs einen Zustand eines in Fahrtrichtung vorausliegenden Abschnitts der Fahrbahn visuell erfassen und die Geschwindigkeit des Fahrzeugs sowie der Lenkbewegungen vorausschauend anpassen.
Die korrekte Einschätzung des Oberflächenzustands einer Fahrbahn durch eine visuelle Erfassung erfordert eine große Erfahrung. Dennoch kann es zu Fehleinschätzungen kommen, beispielsweise bei schlechter Sicht, Blendung durch Sonnenlicht oder Licht der Scheinwerfer entgegenkommender Fahrzeuge, oder durch Reflexion oder Beugung von Licht an unmittelbar über der Fahrbahnoberfläche liegenden Luftschichten unterschiedlicher Temperaturen.
Gegenwärtiger Regen oder Schneefall sind für jeden Fahrer leicht erkennbar, und die unmittelbare Folge davon, nämlich ein Wasserfilm oder eine Schneeschicht auf der Straße, liegt auf der Hand, sodass ein Fahrer die Geschwindigkeit des Fahrzeugs entsprechend anpassen würde.
Ein in vielen Fahrzeugen vorhandener Temperatursensor für die Ermittlung der Umgebungstemperatur des Fahrzeugs kann nur die Lufttemperatur in einem Abstand zu Fahrbahnoberfläche ermitteln. Daraus kann zwar abgeschätzt werden, ob eine Straße möglicherweise glatt ist, insbesondere nach längeren Kälteperioden, in denen der Erdboden stark abgekühlt ist, kann eine angezeigte Lufttemperatur, die hinreichend weit über dem Gefrierpunkt von Wasser liegt, aber zu der irrigen Annahme verleiten, dass sich auf der Fahrbahnoberfläche keine Eisschicht bilden könne. Auch die Kombination von aktuellen Temperaturdaten mit Daten eines für eine automatische Steuerung der Scheibenwischer des Fahrzeugs vorhandenen Regensensors bzw. einer dafür vorgesehenen Kamera ergibt keine verlässliche Aussage über den tatsächlichen Straßenzustand. Es kann damit bspw. nicht festgestellt werden, ob eine Straße noch glatt ist, oder ob bereits Taumittel oder Sand ausgebracht wurden.
Die in vielen Fahrzeugen vorhandenen Sensoren für Fahrdynamiksysteme, zum Beispiel ESP, ABS, ASR und dergleichen, können ebenfalls eine Information über Zustände der Fahrbahnoberfläche geben, dies allerdings nur für einen bereits unter dem Fahrzeug bzw. unter der Aufstandsfläche der Reifen liegenden Bereich der Fahrbahnoberfläche. Eine vorausschauende Anpassung der Geschwindigkeit und Fahrweise ist damit für ein einzelnes Fahrzeug nicht möglich. Außerdem stehen aussagekräftige Sensorwerte erst kurz vor oder beim Erreichen eines Grenzbereichs zur Verfügung, sodass beispielsweise bei einem sehr vorsichtigen Fahrer keines der Fahrdynamiksysteme ansprechen und eine möglicherweise glatte Straße erkennen würde. Zudem spielt die individuelle Bereifung des Fahrzeugs, also Reifentyp, Profiltyp, Profiltiefe, Reifendruck, und dergleichen eine wesentliche Rolle für die Flaftreibung zwischen Fahrbahnoberfläche und der Aufstandsfläche des Reifens und somit für den Zeitpunkt, an dem ein Fahrdynamiksystem aktiv eingreifen würde.
Fahrzeuge werden zunehmend mit Kommunikationsmitteln versehen, mittels derer sie untereinander Informationen über Verkehrssituationen und auch Straßen- oder Fahrbahnzustände austauschen können. Diese Kommunikationsmittel umfassen beispielsweise die unter den Abkürzungen Car-to-Car (C2C) oder Vehicle-to-Vehicle (V2V) bekannten Konzepte und Systeme für eine direkte Kommunikation von Fahrzeugen untereinander. Systeme, die eine Kommunikation von Fahrzeugen untereinander gegebenenfalls über an der Straße vorhandene, feste Sende- und Empfangsstationen ermöglichen sind unter den Abkürzungen Car-to-X (C2X) oder Vehicle-to-X (V2X) bekannt. Mittels dieser Systeme können vorausfahrende oder entgegenkommende Fahrzeuge durch Analyse ihrer Sensoren für Fahrdynamiksysteme tatsächlich festgestellte Zustände der Fahrbahnoberfläche mitteilen, jedoch mit den Einschränkungen der Genauigkeit wie sie im vorstehenden Absatz erläutert wurde. Die bloße Möglichkeit der Kommunikation zwischen Fahrzeugen bietet jedoch dann keinen Vorteil, wenn sich kein weiteres Fahrzeug in Kommunikationsreichweite befindet, welches Zustände der Fahrbahnoberfläche erfasst hat und übermitteln kann.
BESCHREIBUNG
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Echtzeitbestimmung eines Oberflächenzustands einer von einem Fahrzeug momentan befahrenen Fahrbahn anzugeben, die einen oder mehrere der Nachteile oder Unzulänglichkeiten bekannter Systeme vermeiden bzw. verringern. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur verbesserten Fahrdynamikregelung auf Basis des erfassten Oberflächenzustands und eine entsprechende Vorrichtung für ein Landfahrzeug anzugeben.
Ein Verfahren zur Echtzeitbestimmung eines Oberflächenzustands einer von einem Fahrzeug momentan befahrenen Fahrbahn gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung umfasst das optische Erfassen des von einer Oberfläche eines von einer Lichtquelle beleuchteten Fahrbahnabschnitts reflektierten Lichts. Die Erfassung erfolgt dabei bei mehreren diskreten Wellenlängen oder Wellenlängenbereichen. Die Eigenschaften der Lichtquelle, insbesondere die Intensität oder Amplitude des auf die Fahrbahnoberfläche auftreffenden Lichts, sind für die mehreren diskreten Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche bekannt, so dass aus den Anteilen des reflektierten Lichts bei den mehreren diskreten Wellenlängen oder Wellenlängenbereichen, die zusammen genommen einen spektralen Fingerabdruck darstellen, auf den Oberflächenzustand der Fahrbahn geschlossen werden kann. Es ist dabei unerheblich, ob die Beleuchtung des Fahrbahnabschnitts mit Licht in diskreten Wellenlängen oder Wellenlängenbereichen erfolgt, oder mit Licht das in einem kontinuierlichen Spektrum vorliegt, solange die Amplituden des Lichts in den erfassten Wellenlängen oder Wellenlängenbereichen bekannt sind.
Das Verfahren gemäß dem ersten Aspekt umfasst ferner das Bestimmen der Verhältnisse von auf die Fahrbahnoberfläche auftreffendem und reflektiertem Licht bei den mehreren Wellenlängen oder Wellenlängenbereichen zueinander, und das Bereitstellen von Referenzwerten der Verhältnisse von auftreffendem und reflektierten Licht zueinander für eine Vielzahl von Oberflächenzuständen einer Vielzahl unterschiedlicher Fahrbahnbeläge.
Das Verfahren gemäß dem ersten Aspekt umfasst außerdem das Vergleichen der für den Fahrbahnabschnitt bestimmten Verhältnisse von auftreffendem und reflektiertem Licht bei den mehreren diskreten Wellenlängen oder Wellenlängenbereichen zueinander mit den für die Vielzahl von Oberflächenzuständen für eine Vielzahl unterschiedlicher Fahrbahnbeläge bereitgestellten Referenzwerten. Der Grad der Übereinstimmung der Verhältnisse von auftreffendem und reflektiertem Licht mit den entsprechenden Referenzwerten zeigt eine Wahrscheinlichkeit für das Vorliegen eines bestimmten Fahrbahnbelags und Oberflächenzustands an.
Bei einer oder mehreren Ausführungsformen umfasst das Verfahren zusätzlich zu dem Erfassen des von der Fahrbahnoberfläche reflektierten Lichts das Bestimmen der Intensitäten des von der Lichtquelle auf die Fahrbahnoberfläche auftreffenden Lichts bei den mehreren diskreten Wellenlängen oder Wellenlängenbereichen, also das Ermitteln von spektralen Eigenschaften der Lichtquelle. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn eine Lichtquelle mit einem unbekannten Spektrum für die Beleuchtung der Fahrbahn genutzt wird. Die spektralen Eigenschaften der Lichtquelle werden zumindest für die Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche ermittelt, in denen das von der Fahrbahnoberfläche reflektierte Licht erfasst wird. Hierbei sind vor allem die Amplituden in den jeweiligen erfassten Wellenlängen oder Wellenlängenbereichen von Interesse. Die erfassten spektralen Eigenschaften der Lichtquelle dienen bei dem Verfahren als Normalwerte, zu denen die erfassten Werte des reflektierten Lichts ins Verhältnis gesetzt werden. Da in der Regel kein entsprechender, direkt auf der Fahrbahnoberfläche befindlicher Sensor vorhanden ist, kann die Bestimmung der spektralen Eigenschaften der Lichtquelle auch mit an bekannten Einbauorten am Fahrzeug angeordneten Sensoren erfolgen. Der jeweilige Einbauort sowie die jeweilige Richtung des Lichteinfalls sowie der Abstand von der Lichtquelle können zur Bestimmung von Korrekturwerten genutzt werden. Diese Ausführungsform ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das Licht einer externen Lichtquelle für die Bestimmung von Oberflächenzuständen genutzt wird, bspw. das Licht der Sonne, entgegenkommender oder vorausfahrender Fahrzeuge, oder einer Straßenbeleuchtung. Sonnenlicht hat ein gut bekanntes Spektrum, so dass die Bestimmung der Intensität des auf die Fahrbahnoberfläche auftreffenden Lichts bei den erfassten Wellenlängen oder Wellenlängenbereichen vergleichsweise einfach ist. Außerdem ist die Sonne sehr weit entfernt, so dass die Richtung des Lichteinfalls leicht bestimmt werden kann. Bei anderen Lichtquellen ist die Bestimmung der Richtung und ggf. der Entfernung des Lichteinfalls etwas komplexer. Richtung und Entfernung einer Lichtquelle können z.B. mittels am Fahrzeug angeordneter Kameras ermittelt werden, bspw. Kameras für Spurhalteassistenten oder Verkehrszeichenerkennung und dergleichen. Die Verwendung von am Fahrzeug angeordneten Radar- oder Lidarsensoren für die Erkennung der Richtung und Entfernung ist ebenfalls denkbar. Bei Nutzung externer Lichtquellen mit größerem Abstand zu den Sensoren bzw. Kameras muss das Frequenzanalyseverfahren entsprechend des Abstands der Lichtquelle von Nahfeld- auf geeignete Fernfeldmethoden angepasst werden.
Bei einer oder mehreren Ausführungsformen des Verfahrens ist die Lichtquelle an dem Fahrzeug angeordnet, welches das Verfahren ausführt. Die Lichtquelle ist dazu eingerichtet, den Fahrbahnabschnitt nacheinander jeweils mit Licht in einer der mehreren diskreten Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche zu beleuchten. Dies kann bspw. mit einem entsprechenden Scheinwerfer erfolgen, der die Fahrbahnoberfläche wiederholt nacheinander mit Licht unterschiedlicher Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche beleuchtet. Wenn sich das Fahrzeug bei der Erfassung bewegt, werden unterschiedliche Straßenabschnitte zumindest teilweise mit Licht unterschiedlicher Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche beleuchtet. Dies kann bei der Erfassung des reflektierten Lichts der Fahrbahnabschnitte, bspw. mit einer Kamera, entsprechend berücksichtigt werden, indem nacheinander aufgenommene Bilder abhängig von der Geschwindigkeit des Fahrzeugs und der Dauer der Beleuchtung mit den einzelnen Farben gestaffelt überlagert werden, so dass für jeden Fahrbahnabschnitt Bilder zur Verfügung stehen, die mit Licht aller Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche beleuchtet sind. Die Abfolge der Beleuchtung mit den unterschiedlichen Farben und die Aufnahme von Bildern mit der Kamera ist dazu entsprechend synchronisiert.
Eine geeignete Lichtquelle ist bspw. ein Scheinwerfer, der die Fahrbahn mit Licht in den Grundfarben Rot, Grün und Blau beleuchtet. Bei ausreichend schnellem Farbwechsel wird die Beleuchtung von einem menschlichen Beobachter als weißes Licht wahrgenommen, so dass entsprechend ausgestattete Haupt- oder Nebelscheinwerfer des Fahrzeugs für die Beleuchtung genutzt werden können.
Geeignete Leuchtmittel, die Licht bei einer Wellenlänge oder in einem vergleichsweise schmalen Wellenlängenbereich mit ausreichender Leistung abstrahlen und ein schnelles Ein- und Ausschalten ermöglichen, stehen in Form von Leuchtdioden zur Verfügung. Wenn Licht in besonders schmalbandigen Wellenlängenbereichen erforderlich ist, können Quantenpunkt-Leuchtdioden oder Laserlichtquellen verwendet werden.
Es ist ebenfalls möglich Weißlichtquellen zu verwenden, die mittels geeigneter Farbfilter monochromatisches Licht in gewünschten Wellenlängen oder Wellenlängenbereichen erzeugen. Die Farbfilter können auch als Wechselfilter eingerichtet sein, so dass mittels einer Weißlichtquelle Licht unterschiedlicher Farben erzeugt werden kann.
Um möglichst wenig Fremdlicht mit dem Sensor aufzunehmen können die Lichtquelle und der Sensor an der Unterseite des Fahrzeugs angeordnet sein, beispielsweise in der Mitte unterhalb des Fahrzeugs. Hier kann auch der Abstand zwischen der Lichtquelle und der Fahrbahnoberfläche sowie der Fahrbahnoberfläche und dem Sensor besonders klein gehalten werden. Um trotz des geringen Abstands eine möglichst homogene Beleuchtung eines Abschnitts der Fahrbahnoberfläche zu erreichen können geeignete Linsensysteme vorgesehen sein. Bei einer oder mehreren Ausführungsformen umfasst das Verfahren außerdem das Empfangen eines oder mehrerer Sensorwerte oder Zusatzinformationen aus der nicht abgeschlossenen Gruppe beinhaltend eine lokale Temperatur, ein Datum, eine Tageszeit, eine geographische Position, und einen lokalen oder regionalen Wetterbericht. Alternativ oder zusätzlich kann bei dieser Ausführungsform das Verfahren das Empfangen von statischen oder nur langsam veränderlichen Fahrbahneigenschaften von einer Datenbank umfassen, wie bspw. Material der Fahrbahn, Oberflächenrauigkeit und dergleichen. Die Datenbank kann in einem Fahrzeug angeordnet sein, welches dazu eingerichtet ist, das Verfahren auszuführen, beispielsweise in einer Datenbank eines Navigationssystems, oder außerhalb des Fahrzeugs angeordnet und über eine Datenverbindung mit diesem verbunden sein.
Die Sensorwerte und Zusatzinformationen können bspw. dazu genutzt werden, die Plausibilität eines mit dem Verfahren ermittelten Zustands der Oberfläche einer Fahrbahn zu überprüfen.
Wenn zum Beispiel ein mit dem Verfahren ermittelter Zustand der Oberfläche einer Fahrbahn nicht zu einer gemessenen lokalen Außentemperatur, einer über das Datum und die geographische Position, also bspw. nördliche oder südliche Flemisphäre bestimmten Jahreszeit, einer Tageszeit, bspw. Tag oder Nacht, einer Flöhe über dem Meeresspiegel und/oder einem lokalen oder regionalen Wetterbericht passt, bspw. das Verfahren in einer Küstenregion zur Mittagszeit im Flochsommer eine vereiste Fahrbahn ermittelt, dann kann mit einer hohen Wahrscheinlichkeit davon ausgegangen werden, dass das Verfahren einen falschen Zustand ermittelt hat. Das Ergebnis des Verfahrens kann dann verworfen werden, es kann eine Überprüfung der Sensoren erfolgen, oder die Anwendung des Verfahrens wird bis auf Weiteres ausgesetzt, z.B. bis eine Überprüfung oder Reparatur der Sensoren in einer Werkstatt erfolgt ist.
Die ein oder mehreren Sensorwerte oder Zusatzinformationen und/oder Fahrbahneigenschaften können auch für eine Vorauswahl von Referenzwerten für den Vergleich verwendet werden. Wenn zum Beispiel eine Oberfläche eines momentan befahrenen Fahrbahnabschnitts bekannt ist, bzw. deren Typ oder Eigenschaften, können Referenzwerte für andere Oberflächen vom Vergleich ausgeschlossen werden, wodurch sich der Aufwand für den Vergleich und die Wahrscheinlichkeit für ein falsches Ergebnis verringern.
Bei einer oder mehreren Ausführungsformen umfasst das Verfahren außerdem das Verknüpfen eines ermittelten Oberflächenzustands mit einer dazugehörigen geographischen Position und das Übertragen des ermittelten Oberflächenzustands und der verknüpften geographischen Position an ein oder mehrere in einem bestimmten Radius befindliche Fahrzeuge oder an eine externe Datenbank.
Die bei einigen Ausführungsformen des Verfahrens benötigte geographische Position kann beispielsweise von einem in dem Fahrzeug angeordneten Navigationssystem bereitgestellt werden.
Die Übertragung an ein oder mehrere in einem bestimmten Radius befindliche Fahrzeuge bezieht sich dabei nicht notwendigerweise auf einen Radius um den Ort, an welchem ein Oberflächenzustand ermittelt wurde, sondern kann sich auch auf die Übertragung an auf demselben Straßenabschnitt befindliche entgegenkommende Fahrzeuge zu einem späteren Zeitpunkt beziehen. Die Begrenzung auf einen bestimmten Radius soll dabei lediglich sicherstellen, dass nicht an Fahrzeuge übertragen wird, welche sich auf einem Straßenabschnitt einer anderen Straße in der Nähe befinden.
Die Übertragung an eine externe Datenbank kann über ein Mobilfunknetz erfolgen oder über an der Straße platzierte Empfänger eines C2X-Systems.
Die Übertragung des ermittelten Oberflächenzustands eines Fahrbahnabschnitts an andere Fahrzeuge ermöglicht es, Fahrzeuge, welche nicht über Vorrichtungen zur Erfassung eines Oberflächenzustands verfügen, vor einem schlechten Straßenzustand oder gefährlichen Oberflächenzuständen von Fahrbahnabschnitten zu warnen. Bei einer Übertragung in eine Datenbank können derartige Fahrzeuge die Informationen von der Datenbank abgerufen, beispielsweise entsprechend einer in einem Navigationssystem geplanten Route oder für eine Region in der sich das Fahrzeug befindet.
Bei einer oder mehreren Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die Lichtquelle am oder im Fahrzeug angeordnet ist, beleuchtet die Lichtquelle den Fahrbahnabschnitt in Fahrtrichtung voraus. Die reflektierten Anteile des Lichts sind dabei naturgemäß kleiner als bei einer Anordnung von Lichtquelle und Sensor, welche in einem festen Winkel optimal zueinander angeordnet sind. Dennoch wird wegen der stets vorhandenen Rauigkeit der Oberfläche der Fahrbahn ein gewisser Anteil des Lichts zurück reflektiert werden, der für die Erkennung von Oberflächeneigenschaften einer Fahrbahn genutzt werden kann.
Bei einer oder mehreren Ausführungsformen des Verfahrens beleuchtet die Lichtquelle den Fahrbahnabschnitt mit Licht einer bestimmten Polarisation. Insbesondere auf der Oberfläche von Wasserfilmen oder Eisschichten wird der senkrecht zu einer Polarisationsebene polarisierte Anteil stärker reflektiert als der parallel zu der Polarisationsebene polarisierte Anteil. Dieser Effekt kann ebenfalls zur Erkennung von Eisschichten oder Wasserfilmen auf Fahrbahnoberflächen genutzt werden.
Bei einer oder mehreren Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die Beleuchtung des Fahrbahnabschnitts durch das Licht vorausfahrender oder entgegenkommender Fahrzeuge erfolgt, umfasst das Verfahren außerdem die Erkennung des Fahrzeugmodells. Diese Information kann dazu genutzt werden, Eigenschaften der bei diesem Fahrzeugmodell verwendeten Beleuchtung aus einer Datenbank abzurufen, insbesondere Eigenschaften betreffend das Spektrum der Fahrzeugbeleuchtung. Das Fahrzeugmodell kann beispielsweise mittels Bilderkennung identifiziert werden, wobei Merkmale wie die Form, der Abstand, und die Anordnung der Scheinwerfer zueinander oder der Umriss des Fahrzeugs genutzt werden können. Die der Bilderkennung zugeführten Bilder können beispielsweise von einer Kamera stammen, welche für die Verkehrszeichenerkennung oder einen Spurhalteassistenten ohnehin vorhanden ist. Das Fahrzeugmodell kann aber auch durch eine
Fahrzeug-zu-Fahrzeug-Kommunikation ermittelt werden. Dabei können auch Eigenschaften der Lichtquelle von dem Fahrzeug übermittelt werden, dessen Lichtquelle die Fahrbahn beleuchtet.
Ein geeignetes Mittel zur Erfassung von Licht in mehreren diskreten Wellenlängen oder Wellenlängenbereichen ist beispielsweise eine Farbkamera, die Farbbilder aus in den Grundfarben Rot, Grün und Blau aufgenommenen Bildpunkten zusammensetzt. Diese Farbkamera kann als minimalistischer multispektraler Sensor aufgefasst werden.
Kameras, die in weiteren Wellenlängenbereichen ebenfalls empfindlich sind, beispielsweise im nahen Infrarotbereich mit einer Wellenlänge zwischen 780 nm und 3 pm und/oder ultravioletten Bereich des Lichts mit einer Wellenlänge zwischen 10 nm und 390 nm, können die Erkennung von Material und Oberflächenzuständen einer Fahrbahn noch erheblich verbessern. Die in heutigen Farbkameras verwendeten CMOS- oder CCD-Sensoren sind häufig bereits in diesen Wellenlängenbereichen verwendbar, es kommt dabei lediglich auf die Anbringung geeigneter Filterschichten an.
Grundsätzlich ist es möglich, zumindest einige der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen des Verfahrens unter Verwendung von ohnehin am Fahrzeug vorgesehenen Kameras zu implementieren. Es können also beispielsweise Kameras für die Verkehrszeichenerkennung oder für Spurhalteassistenten verwendet werden, aber auch Kameras die überwiegend nach unten ausgerichtet sind, etwa um einen Parkvorgang durch Bereitstellung entsprechender Bilder zu unterstützen. Kameras der letztgenannten Art sind häufig in den Außenspiegeln von Fahrzeugen angeordnet, und ihre Bilder werden mit denen von nach vorne bzw. nach hinten blickenden Kameras kombiniert um eine virtuelle Ansicht auf das Fahrzeug aus der Vogelperspektive zu erzeugen. Einige Fahrzeuge sind bereits heute mit einer Beleuchtung versehen, welche den Bereich neben den Fahrzeugtüren beleuchtet oder ein Herstellerlogo auf den Fußboden projiziert. Diese Lichtquellen, deren Eigenschaften bekannt sind, und die sich in einer günstigen räumlichen Anordnung zu in den Außenspiegeln angebrachten, nach unten blickenden Kameras befinden, können ebenfalls für die Bestimmung des Zustands der Oberfläche der Fahrbahn verwendet werden, wenngleich damit nur der Zustand eines bereits unterhalb des Fahrzeugs befindlichen Fahrbahnabschnitts ermittelt werden kann. Gegebenenfalls müssen diese Lichtquellen modifiziert oder ergänzt werden, um eine Beleuchtung bei weiteren erforderlichen diskreten Wellenlängen oder Wellenlängenbereichen bereitzustellen.
Ein Verfahren zur Echtzeitbestimmung eines Oberflächenzustands einer von einem Fahrzeug momentan befahrenen Fahrbahn gemäß einem zweiten Aspekt umfasst das Abstrahlen von Schallwellen mit unterschiedlichen Frequenzen auf einen Abschnitt der Fahrbahnoberfläche. Die Schallwellen können bei diskreten Frequenzen oder als Rauschen mit bekannter spektraler Verteilung abgestrahlt werden, bspw. über einen nahe an der Oberfläche angeordneten Lautsprecher. Auch ein Frequenzsweep oder Chirp ist für dieses Verfahren nutzbar. Denkbar ist auch, das Abrollgeräusch der Reifen zu nutzen. Hierzu können für bestimmte Reifentypen und Profiltiefen bereitgestellte Referenzspektren genutzt werden, die für das Befahren bestimmter Fahrbahnoberflächen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten ermittelt wurden. Die Profiltiefe kann bspw. nach dem Zurücksetzen beim Aufziehen neuer Reifen Anhand der damit zurückgelegten Fahrstrecke ermittelt werden. Auch ein zwischenzeitlicher Wechsel zwischen Sommer- und Winterbereifung kann entsprechend berücksichtigt werden.
Das Verfahren gemäß dem zweiten Aspekt umfasst außerdem das Aufnehmen von dem Abschnitt der Fahrbahnoberfläche reflektierter Schallwellen mit einem oder mehreren Schallaufnehmern. Hierzu können beispielsweise Richtmikrofone eingesetzt werden.
Das Verfahren gemäß dem zweiten Aspekt umfasst ferner das Vergleichen der für den Fahrbahnabschnitt aufgenommenen Amplituden der Schallwellen bei den unterschiedlichen Frequenzen mit für eine Vielzahl von Oberflächenzuständen für eine Vielzahl unterschiedlicher Fahrbahnbeläge bereitgestellten Referenzwerten, wobei der Grad der Übereinstimmung mit einem der Referenzwerte eine entsprechende Wahrscheinlichkeit für das Vorliegen eines zugehörigen Fahrbahnbelags und Oberflächenzustands anzeigt. Anstelle optischer Reflexionsspektren werden bei diesem Aspekt also akustische Reflexionsspektren genutzt, um den Oberflächenzustand einer Fahrbahn zu erfassen. Es ist dabei leicht erkennbar, dass eine vergleichsweise glatte und geschlossene Eisschicht auf einer Fahrbahn ein anderes Spektrum von Schallwellen reflektiert als eine eher offenporige Oberfläche einer nicht von Eis bedeckten Fahrbahn.
Die Verfahren gemäß dem ersten und dem zweiten Aspekt können auch kombiniert werden, z.B. um die Erkennungsgenauigkeit zu erhöhen, etwa wenn zwei Materialien von den akustischen Eigenschaften, z.B. Oberflächenhärte, Rauheit, Dämpfung, Streuung, ähnlich sind. In diesem Fall kann die optische Erfassung weitere Informationen liefern, die über die Beschaffenheit der Oberfläche Auskunft geben. Die Zusammenhänge zwischen optischer und akustischer Erfassung können mittels geeigneter Eingangsparameter für maschinelles Lernen modelliert und optimiert werden.
Ein Verfahren zur dynamischen Beeinflussung einer Fahrdynamikregelung eines Fahrzeugs in Abhängigkeit von einem Zustand einer Fahrbahnoberfläche gemäß einem dritten Aspekt umfasst eine Echtzeitbestimmung des Oberflächenzustands einer momentan befahrenen Fahrbahn mittels eines oder mehreren der vorstehend beschriebenen Verfahren, oder das Empfangen eines gegenwärtigen Zustands einer momentan befahrenen Fahrbahn, beispielsweise von anderen Fahrzeugen oder einer fahrzeugexternen Datenbank.
Eine Fahrdynamikregelung ist in diesem Kontext als eine Regelung zu verstehen, welche mittels gezielter Eingriffe in die Bremssteuerung, Motorsteuerung, die Steuerung von Lenkungs- und/oder Fahrwerkskomponenten, etc., Einfluss auf eine momentan maximal mögliche Beschleunigung, Verzögerung, Höchstgeschwindigkeit und/oder Geschwindigkeit der Änderung des Lenkwinkels, etc., nimmt. Die Fahrdynamikregelung kann in einem einzelnen Steuergerät implementiert sein, oder in mehreren Steuergeräten, die jeweils eine oder mehrere der vorstehend genannten Komponenten kontrollieren. Eine Fahrdynamikregelung kann auch zusammengefasst durch ein Fahrzeugstabilitätssystem (ESP-System) gesteuert bzw. erzielt werden.
Das Verfahren umfasst entsprechend das Ansteuern des einen oder der mehreren Steuergeräte, welche die Fahrdynamikregelung implementieren, oder die entsprechende Steuerung eines ESP-Systems, um eine der in der nachfolgenden, nicht abgeschlossenen Liste aufgeführten Wirkungen zu erzielen, zum Beispiel ein Begrenzen eines maximalen für eine Fahrzeugbeschleunigung zulässigen Drehmoments an einem oder mehreren Rädern, eine automatische Beeinflussung von Differenzialen an einer oder mehreren Achsen des Fahrzeugs, hierbei insbesondere das vollständige oder teilweise Sperren der Differenziale, die Begrenzung einer erreichbaren Höchstgeschwindigkeit, die Verringerung einer momentanen Geschwindigkeit auf einen an den Zustand der Fahrbahnoberfläche angepassten Höchstwert, oder die Begrenzung der maximalen Geschwindigkeit der Änderung des Lenkwinkels, bspw. durch aktives Gegenhalten mittels einer elektrischen Servolenkung oder durch Verringern der Lenkkraftunterstützung. Es ist ebenfalls möglich das Eingriffs- und/oder Ansprechverhalten des ESP-Systems eines Fahrzeugs in Abhängigkeit von einem erkannten Oberflächenzustand zu beeinflussen, wobei das ESP-System dann weitere Steuergeräte, welche die Fahrdynamikregelung implementieren, entsprechend ansteuert. Denkbar ist auch, mittels Ansteuerung einer elektrischen Servolenkung in Abhängigkeit von einem erkannten Zustand einer Oberfläche das Fahrzeug in einen Bereich der Fahrbahn zu lenken, der für das Befahren günstigere Eigenschaften aufweist. Bspw. kann bei einer mittels des Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt erkannten Spurrinne, die teilweise mit Wasser, Eis oder Schnee gefüllt ist, ein automatischer Lenkeingriff das Fahrzeug aus der Spurrinne herausführen in einen neben der Spurrinne befindlichen, u.U. trockenen Bereich bzw. Bereich, in dem sich kein geschlossener Wasserfilm gebildet hat. Der Lenkeingriff erfolgt dabei natürlich im Rahmen der zur Verfügung stehenden Fahrbahnbreite unter Berücksichtigung der Fahrzeugbreite, und auch unter Berücksichtigung der Anwesenheit anderer Verkehrsteilnehmer. Bei einer Ausführung des Verfahrens gemäß dem dritten Aspekt werden bei der Beeinflussung der Fahrdynamikregelung Eigenschaften der Bereifung des Fahrzeugs sowie des Fahrzeugantriebs berücksichtigt, also ob das Fahrzeug an einer Achse oder an allen Achsen angetrieben ist. Entsprechend umfasst das Verfahren das Empfangen von Eigenschaften der Bereifung des Fahrzeugs und den Fahrzeugantrieb beschreibenden Daten.
Bei den vorstehend dargestellten Verfahren zur Erfassung eines Oberflächenzustands einer Fahrbahn können Sensordaten der Fahrdynamikregelung zur Verbesserung der Referenzwerte genutzt werden. Wenn bspw. die optische oder akustische Erkennung des momentanen Oberflächenzustands anzeigt, dass keine glatte Fahrbahn vorliegt, aber die Schlupfregelung oder das ESP eingreifen muss, dann können die für diesen Fahrbahnabschnitt per optischer oder akustischer Erfassung ermittelten Eigenschaften mit den beim Befahren tatsächlich festgestellten Eigenschaften neu eingestuft werden, um die Zuverlässigkeit der Analyse zu verbessern. Dies kann im Fahrzeug selbst durch eine künstliche Intelligenz oder eine zum maschinellen Lernen eingerichtete Instanz erfolgen, was den Vorteil hat, dass die fahrzeugeigenen Sensoren besser aufeinander abgestimmt werden, oder in entsprechenden externen Instanzen, die eine künstliche Intelligenz oder maschinelles Lernen implementieren. Das Ergebnis der rekursiven Verbesserung durch die externen Instanzen kann auch anderen Fahrzeugen zur Verfügung gestellt werden, wobei auch verbesserte Referenzen oder Parameter interner Instanzen maschinellen Lernens oder künstlicher Intelligenz mit anderen Fahrzeugen oder einer zentralen Datenbank geteilt werden können.
Die in den vorstehend beschriebenen Verfahren stets benötigten Referenzwerte oder Referenzmuster können im Vorfeld durch eine Vielzahl von Messungen unter kontrollierten und definierten Bedingungen erzeugt werden. Hierzu werden in der Regel besonders präzise Messgeräte verwendet, deren Präzision weit über die der in den Fahrzeugen verbauten Sensoren hinausgeht. Um aus der Vielzahl von Messungen eine überschaubare Anzahl von Referenzwerten oder Referenzmuster zu generieren können Verfahren zum maschinellen Lernen oder künstliche Intelligenzen genutzt werden. Es ist auch vorstellbar die Referenzwerte oder Referenzmuster regelmäßig anzupassen. Dabei können die von Fahrzeugen während der Fahrt ermittelten Oberflächenzustände von Fahrbahnabschnitten sowie die zugehörigen Werte der zur Erfassung verwendeten Sensoren den Verfahren zum maschinellen Lernen oder den künstlichen Intelligenzen wieder zugeführt werden. Dadurch kann unter anderem der Einfluss der in der Regel vergleichsweise wenig präzisen in den Fahrzeugen vorgesehenen Sensoren nach und nach verringert werden.
Die vorstehend beschriebenen Verfahren können neben der Ermittlung, ob eine Fahrbahnoberfläche von einem Wasserfilm oder eine Eisschicht bedeckt ist, oder ob bereits Taumittel oder Abstumpfungsmittel ausgebracht wurden, auch dazu verwendet werden, flüssige oder feste Gefahrstoffe auf der Fahrbahnoberfläche zu erkennen. Referenzwerte für die unterschiedlichen Reflexions- bzw. Absorptionseigenschaften von chemischen Stoffen für Licht bei unterschiedlichen Wellenlängen können dazu ebenfalls bereitgestellt werden. Entsprechende Vorrichtungen können beispielsweise in Fahrzeugen der Feuerwehr oder der Polizei vorgesehen sein.
Auch eine Erkennung von Ölfilmen auf Fahrbahnen ist mit den vorstehend beschriebenen Verfahren möglich. Wird ein Ölfilm auf einer Fahrbahn festgestellt kann automatisch eine Information an einen Dienst gesendet werden, der eine Beseitigung oder Neutralisierung des Ölfilms bzw. eine Reinigung der Straße vornimmt.
Bei Anordnung von erfindungsgemäßen Einrichtungen zur Erkennung von Oberflächenzuständen an Fahrzeugen, die im Linienverkehr bestimmte festgelegte Routen befahren kann für diese Routen auch eine bedarfsabhängige Straßenreinigung ausgelöst werden.
Es ist ebenfalls möglich, mit einem oder mehreren der vorstehend beschriebenen Verfahren Straßenschäden sowie deren geographische Position festzustellen, und diese an eine Datenbank zu übertragen. So weisen beispielsweise Ausbesserungen von Fahrbahnbelägen häufig eine etwas andere Oberflächenbeschaffenheit auf als der Rest der Fahrbahn, was mit den vorstehend beschriebenen Verfahren leicht feststellbar ist. Bei Erkennung einer derartigen „Flickstelle“ kann auch ein Bild aufgenommen und an eine Datenbank senden. Eine mit der Instandhaltung von Straßen beauftragte Behörde kann die Informationen über Straßenschäden aus der Datenbank auslesen auf eine Veränderung überprüfen, vor allem eine Verschlechterung der „Flickstelle“, und geeignete Maßnahmen ergreifen und koordinieren. Auch die Position von Rissen im Straßenbelag oder von Schlaglöchern kann auf diese Weise bestimmt und an die Datenbank übertragen werden. Falls für eine bestimmte Position keine Beschädigung des Straßenbelags in der Datenbank eingetragen ist kann angenommen werden, dass es sich um eine neue Beschädigung handelt. Zweckmäßigerweise werden zusammen mit dem Bild Daten über die Eigenschaften des Kamerasystems übertragen, mit welchem das Bild aufgenommen wurde, um eine entsprechende perspektivische Entzerrung des Kamerabilds zu ermöglichen. Bei der Erkennung von Straßenschäden können zusätzlich Sensordaten der Radaufhängung des Fahrzeugs oder akustische Aufzeichnungen eines Mikrofons genutzt werden, die bei bestimmten Straßenschäden entsprechende Charakteristiken aufweisen.
Nachfolgend werden exemplarische Ausgestaltungen der Erfindung mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigt
Fig. 1 ein stark vereinfachtes Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen
Verfahrens gemäß dem ersten oder zweiten Aspekt,
Fig. 2 eine exemplarische Darstellung des Spektrums der
Sonneneinstrahlung außerhalb der Atmosphäre,
Fig. 3 eine exemplarische Darstellung der Durchlässigkeit der Atmosphäre über das Spektrum der Sonneneinstrahlung,
Fig. 4 eine exemplarische Darstellung des Reflexionsgrads unterschiedlicher typischer Fahrbahnmaterialien,
Fig. 5 eine exemplarische Darstellung des Reflexionsgrads unterschiedlicher Beläge auf Fahrbahnoberflächen, Fig. 6 eine exemplarische Darstellung des Reflexionsgrads von Wasser im
Vergleich zu dem von Fahrbahnmaterialien,
Fig. 7 eine erste schematische und stark vereinfachte Anordnung einer
Lichtquelle und eines Sensors zur Echtzeitbestimmung eines Oberflächenzustands einer von einem Fahrzeug momentan befahrenen Fahrbahn,
Fig. 8 eine zweite schematische und stark vereinfachte Anordnung einer
Lichtquelle und eines Sensors zur Echtzeitbestimmung eines Oberflächenzustands einer von einem Fahrzeug momentan befahrenen Fahrbahn,
Fig. 9 eine dritte schematische und stark vereinfachte Anordnung einer
Lichtquelle und eines Sensors zur Echtzeitbestimmung eines Oberflächenzustands einer von einem Fahrzeug momentan befahrenen Fahrbahn,
Fig. 10 eine vierte schematische und stark vereinfachte Anordnung einer Lichtquelle und eines Sensors zur Echtzeitbestimmung eines Oberflächenzustands einer von einem Fahrzeug momentan befahrenen Fahrbahn, und
Fig. 11 eine fünfte schematische und stark vereinfachte Anordnung einer Lichtquelle und eines Sensors zur Echtzeitbestimmung eines Oberflächenzustands einer von einem Fahrzeug momentan befahrenen Fahrbahn.
Gleiche oder ähnliche Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Figur 1 zeigt ein stark vereinfachtes Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens 100 zur Echtzeitbestimmung eines Oberflächenzustands einer von einem Fahrzeug momentan befahrenen Fahrbahn gemäß dem ersten oder zweiten Aspekt. In Schritt 102 wird das von einer Oberfläche eines von einer Lichtquelle mit bei den diskreten Wellenlängen oder Wellenlängenbereichen bekannten Eigenschaften beleuchteten Fahrbahnabschnitts reflektierte Licht optisch erfasst. In Schritt 104 werden die Verhältnisse von auf die Fahrbahnoberfläche auftreffendem und reflektiertem Licht bei den mehreren diskreten Wellenlängen oder Wellenlängenbereichen zueinander bestimmt, und in Schritt 108 mit in Schritt 106 für eine Vielzahl von Oberflächenzuständen einer Vielzahl unterschiedlicher Fahrbahnbeläge bereitgestellten Referenzwerten der Verhältnisse von auftreffendem und reflektierten Licht bei den mehreren diskreten Wellenlängen oder Wellenlängenbereichen verglichen. Der Grad der Übereinstimmung der Verhältnisse von auftreffendem und reflektiertem Licht mit den entsprechenden Referenzwerten zeigt eine Wahrscheinlichkeit für das Vorliegen eines bestimmten Fahrbahnbelags und Oberflächenzustands an.
Figur 2 zeigt eine exemplarische Darstellung des Spektrums der Sonneneinstrahlung außerhalb der Erdatmosphäre bei Wellenlängen zwischen etwa 480 nm und 2400 nm, als Beispiel für bekannte Eigenschaften einer Lichtquelle, die für das erfindungsgemäße Verfahren genutzt werden kann. Die Erdatmosphäre hat für unterschiedliche Wellenlängen zum Teil stark abweichende Durchlässigkeiten, so dass am Erdboden, also auf der Oberfläche einer Fahrbahn nicht alle Wellenlängen in denselben Verhältnissen zueinander vorliegen.
Figur 3 zeigt eine exemplarische Darstellung der Durchlässigkeit der Atmosphäre über das Spektrum der Sonneneinstrahlung bei trockener Luft ohne Bewölkung ungefähr auf Meereshöhe. Deutlich zu erkennen ist eine geringe Durchlässigkeit bzw. starke Absorption zwischen 1300 nm und 1500 nm Wellenlänge und zwischen 1800 nm und 2000 nm Wellenlänge. Sofern unterschiedliche Oberflächenzustände von Fahrbahnen in diesen Wellenlängenbereichen besonders signifikante Unterschiede aufweisen, muss eine entsprechende Beleuchtung auch bei Tageslicht zusätzlich erfolgen. Figuren 2 und 3 sind bezüglich der auf der Abszisse angegebenen Wellenlängen ungefähr zueinander ausgerichtet, so dass eine Einschätzung der bei den angegebenen atmosphärischen Bedingungen tatsächlich auf dem Erdboden auftreffenden Strahlungsenergie erleichtert ist.
Figur 4 zeigt eine exemplarische Darstellung des Reflexionsgrads unterschiedlicher typischer Fahrbahnmaterialien, in der Figur für Beton (concrete), Kies bzw. Schotter (gravel) und Asphalt über einen Wellenlängenbereich von ca. 450 nm bis 2500 nm. Gut zu erkennen sind die deutlich unterschiedlichen Werte der Reflexion für alle drei Materialien bei Wellenlängen im Bereich zwischen 600 nm und etwa 1250 nm. In diesem Wellenlängenbereich ist auch die Intensität der auf dem Erdboden eintreffenden Sonneneinstrahlung noch vergleichsweise hoch, siehe Figuren 2 und 3, so dass ein starkes Signal zu erwarten ist.
Figur 5 zeigt eine exemplarische Darstellung des Reflexionsgrads unterschiedlicher Beläge auf Fahrbahnoberflächen einen Wellenlängenbereich von ca. 400 nm bis 2500 nm. Hier ist gut zu erkennen, dass gerade bei Wellenlängen oberhalb von 700 nm die Unterschiede zwischen Reif (frost), feinkörnigem Schnee (fine grain snow), Schnee mittlerer Korngröße (medium grain snow) und Schnee großer Korngröße (coarse grain snow) zum Teil deutliche Unterschiede im Reflexionsgrad auftreten. Im Vergleich zu den über alle Wellenlängen hinweg deutlich geringeren Reflexionsgraden von Beton, Kies bzw. Schotter und vor allem Asphalt ist aber leicht zu erkennen, dass eine aus diesen Materialien bestehende Fahrbahnoberfläche, die von einer Frost- oder Schneeschicht bedeckt ist, sich auch bei Wellenlängen unterhalb von 700 nm hinsichtlich ihres Reflexionsgrads deutlich von einer freien Oberfläche unterscheidet. Figuren 4 und 5 sind bezüglich der auf der Abszisse angegebenen Wellenlängen ungefähr zueinander ausgerichtet, um den Vergleich der Reflexionsgrade zu erleichtern.
Figur 6 zeigt eine exemplarische Darstellung des Reflexionsgrads von Wasser im Vergleich zu dem von Fahrbahnmaterialien. Der obere Teil der Figur entspricht dabei Figur 4. Wasser hat eine im Vergleich zu allen drei exemplarischen Fahrbahnmaterialien über alle Wellenlängen einen vergleichsweise niedrigen Reflexionsgrad, so dass eine weitgehend geschlossene Wasserschicht, die bspw. die Gefahr des Aquaplaning mit sich bringt, über einen großen Wellenlängenbereich gut detektierbar ist. Die in der Figur 6 dargestellten Graphen sind bezüglich der auf der Abszisse angegebenen Wellenlängen ungefähr zueinander ausgerichtet, um den Vergleich der Reflexionsgrade zu erleichtern.
Figur 7 zeigt eine erste schematische und stark vereinfachte Anordnung einer Lichtquelle 700 und eines Sensors 702 zur Echtzeitbestimmung eines Oberflächenzustands einer von einem Fahrzeug 704 momentan befahrenen Fahrbahn 706. In der Figur sind die Lichtquelle 700 und der Sensor 702 bspw. in oder an einem in der Figur nicht dargestellten Außenspiegel angeordnet. Sensor 702 kann bspw. eine im oder am Außenspiegel angeordnete, nach unten gerichtete Kamera sein, die für die Erzeugung einer virtuelle Vogelperspektive genutzt wird und den Bereich seitlich des Fahrzeugs erfasst. Lichtquelle 700 kann neben der Beleuchtung der Fahrbahnoberfläche für die Erkennung deren Zustands auch zur Beleuchtung des Bereichs neben dem Fahrzeug dienen, die einem Fahrer oder Passagier die Erkennung des Untergrunds neben dem Fahrzeug erleichtert. Außerdem kann die Lichtquelle dazu dienen, ein Herstellerlogo oder dergleichen auf den Untergrund zu projizieren.
Figur 8 zeigt eine zweite schematische und stark vereinfachte Anordnung einer Lichtquelle 700 und eines Sensors 702 zur Echtzeitbestimmung eines Oberflächenzustands einer von einem Fahrzeug 704 momentan befahrenen Fahrbahn 706. In der Figur sind Lichtquelle 700 und Sensor 702 unterhalb des Fahrzeugs angebracht, wodurch auf den Sensor 702 fallendes Fremdlicht verringert wird, was zu einer höheren Genauigkeit führen kann.
Figur 9 zeigt eine dritte schematische und stark vereinfachte Anordnung einer Lichtquelle 700 und eines Sensors 702 zur Echtzeitbestimmung eines Oberflächenzustands einer von einem Fahrzeug 704 momentan befahrenen Fahrbahn 706. Lichtquelle 700 wird in dieser Figur durch die Scheinwerfer des Fahrzeugs 704 gebildet, welche den in Fahrtrichtung voraus liegenden Bereich der Fahrbahn beleuchten. Der Lichtkegel ist in der Figur durch die von den Scheinwerfern ausgehenden durchgezogenen Linien angedeutet. Sensor 702 wird durch eine oder mehrere Kameras gebildet, welche bspw. für eine Spurhalteassistenzfunktion oder eine Verkehrszeichenerkennung vorhanden ist. Kamera 702 erfasst dazu unter anderem auch den von den Scheinwerfern 700 beleuchteten Bereich der Fahrbahn, in der Figur durch die gestrichelten Pfeile angedeutet. Figur 10 zeigt eine vierte schematische und stark vereinfachte Anordnung einer Lichtquelle 700 und eines Sensors 702 zur Echtzeitbestimmung eines Oberflächenzustands einer von einem Fahrzeug 704 momentan befahrenen Fahrbahn 706. Lichtquelle 700 umfasst in diesem Beispiel die Scheinwerfer eines entgegenkommenden Fahrzeugs 708, welche auch die Fahrbahn des Fahrzeugs 704 beleuchten. Die spektralen Eigenschaften der Lichtquelle 700 sind dem Sensor 702 in Fahrzeug 704 nicht vorab bekannt, daher kann das Fahrzeug 708 diese über eine drahtlose Verbindung 710 an das Fahrzeug 704 senden, um den Sensor entsprechend zu kalibrieren. Hierzu können Ausführungen von Fahrzeug-zu-Fahrzeug-Kommunikationsmitteln nach unterschiedlichen Standards genutzt werden. Die spektralen Eigenschaften von Lichtquelle 700 können in einem entsprechenden Speicher von Fahrzeug 708 gespeichert sein. Sensor 702, in dem Beispiel wieder eine Kamera, die auch für eine Spurhalteassistenzfunktion oder eine Verkehrszeichenerkennung genutzt werden kann, erfasst den von Lichtquelle 700 beleuchteten Bereich und wertet die spektralen Eigenschaften des von der Fahrbahnoberfläche reflektierten Lichts im Vergleich zu den von Fahrzeug 708 übertragenen spektralen Eigenschaften der Lichtquelle 700 aus, um den Zustand der Fahrbahnoberfläche zu bestimmen.
Figur 11 zeigt eine fünfte schematische und stark vereinfachte Anordnung einer Lichtquelle 700 und eines Sensors 702 zur Echtzeitbestimmung eines Oberflächenzustands einer von einem Fahrzeug 704 momentan befahrenen Fahrbahn 706. Die Situation ähnelt der in Figur 10 dargestellten, wobei in diesem Beispiel keine Kommunikation zwischen den Fahrzeugen 704 und 708 besteht. Kamera 702 kann hierzu neben dem von Lichtquelle 700 beleuchteten Bereich der Fahrbahn 706 auch die Lichtquelle 700 selbst erfassen, und das direkt empfangene Spektrum als Referenz nutzen. Alternativ kann da von der Kamera 702 erfasste Bild des Fahrzeugs 708 auch dazu genutzt werden, den Fahrzeugtyp mittels Bilderkennung zu bestimmen, und aus einer Datenbank Eigenschaften bei in dem erkannten Fahrzeugtyp genutzten Scheinwerfern abzurufen.

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren (100) zur Echtzeitbestimmung eines Oberflächenzustands einer von einem Fahrzeug momentan befahrenen Fahrbahn, umfassend:
- optisches Erfassen (102), in mehreren diskreten Wellenlängen oder Wellenlängenbereichen, des von einer Oberfläche eines von einer Lichtquelle mit bei den diskreten Wellenlängen oder Wellenlängenbereichen bekannten Eigenschaften beleuchteten Fahrbahnabschnitts reflektierten Lichts,
- Bestimmen (104) der Verhältnisse von auf die Fahrbahnoberfläche auftreffendem und reflektiertem Licht bei den mehreren diskreten Wellenlängen oder Wellenlängenbereichen zueinander,
- Bereitstellen von Referenzwerten der Verhältnisse von auftreffendem und reflektierten Licht bei den mehreren diskreten Wellenlängen oder Wellenlängenbereichen zueinander für eine Vielzahl von Oberflächenzuständen einer Vielzahl unterschiedlicher Fahrbahnbeläge, und
- Vergleichen der für den Fahrbahnabschnitt bestimmten Verhältnisse von auftreffendem und reflektiertem Licht bei den mehreren diskreten Wellenlängen oder Wellenlängenbereichen mit den für die Vielzahl von Oberflächenzuständen für eine Vielzahl unterschiedlicher Fahrbahnbeläge bereitgestellten Referenzwerten, wobei der Grad der Übereinstimmung der Verhältnisse von auftreffendem und reflektiertem Licht mit den entsprechenden Referenzwerten eine Wahrscheinlichkeit für das Vorliegen eines bestimmten Fahrbahnbelags und Oberflächenzustands anzeigt.
2. Verfahren (100) nach Anspruch 1 , außerdem umfassend:
- Bestimmen der Intensitäten des von der Lichtquelle (700) auf die Fahrbahnoberfläche (706) auftreffenden Lichts bei den mehreren diskreten Wellenlängen oder Wellenlängenbereichen.
3. Verfahren (100) nach Anspruch 1 , wobei die Lichtquelle (700) an dem Fahrzeug (104) angeordnet und dazu eingerichtet ist, den Fahrbahnabschnitt nacheinander jeweils mit Licht in einer der mehreren diskreten Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche zu beleuchten, und wobei das Verfahren außerdem umfasst: - Synchronisieren der optischen Erfassung mit dem Wechsel der Wellenlänge oder des Wellenlängenbereichs der Lichtquelle, und
- Überlagern der mit Licht unterschiedlicher Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche beleuchteten erfassten Fahrbahnabschnitte unter Berücksichtigung einer bei der Erfassung vorliegenden Geschwindigkeit des Fahrzeugs.
4. Verfahren (100) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Vergleichen außerdem umfasst:
- Empfangen eines oder mehrerer Sensorwerte oder Zusatzinformationen aus der nicht abgeschlossenen Gruppe beinhaltend eine lokale Temperatur, ein Datum, eine Tageszeit, eine geographische Position, einen lokalen oder regionalen Wetterbericht, und/oder
- Empfangen von statischen oder nur langsam veränderlichen Fahrbahneigenschaften von einer Datenbank, und
- Kontrolle der Plausibilität des Ergebnisses des Vergleichs anhand der Sensorwerte, der Zusatzinformationen und/oder der empfangenen Fahrbahneigenschaften, und/oder
- Verwendung der der Sensorwerte, der Zusatzinformationen und/oder der empfangenen Fahrbahneigenschaften zur Auswahl von Referenzwerten für den Vergleich.
5. Verfahren (100) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, außerdem umfassend:
- Verknüpfen eines ermittelten Oberflächenzustands mit einer dazugehörigen geographischen Position, und
- Übertragen des ermittelten Oberflächenzustands und der verknüpften geographischen Position an ein oder mehrere in einem bestimmten Radius befindliche Fahrzeuge oder an eine externe Datenbank.
6. Verfahren zur Echtzeitbestimmung eines Oberflächenzustands einer von einem Fahrzeug momentan befahrenen Fahrbahn, umfassend:
- Abstrahlen von Schallwellen mit unterschiedlichen Frequenzen auf einen Abschnitt der Fahrbahnoberfläche,
- Aufnehmen der von dem Abschnitt der Fahrbahnoberfläche reflektierten Schallwellen mit einem oder mehreren Schallaufnehmern,
- Vergleichen der für den Fahrbahnabschnitt aufgenommenen Amplituden der Schallwellen bei den unterschiedlichen Frequenzen (Frequenzanalyse) mit für eine Vielzahl von Oberflächenzuständen für eine Vielzahl unterschiedlicher Fahrbahnbeläge bereitgestellten Referenzwerten, wobei der Grad der Übereinstimmung mit einem der Referenzwerte eine entsprechende Wahrscheinlichkeit für das Vorliegen eines zugehörigen Fahrbahnbelags und Oberflächenzustands anzeigt.
7. Verfahren zur Echtzeitbestimmung eines Oberflächenzustands einer von einem Fahrzeug momentan befahrenen Fahrbahn nach einem der Ansprüche 1 bis 5, umfassend:
- Abstrahlen von Schallwellen mit unterschiedlichen Frequenzen auf einen Abschnitt der Fahrbahnoberfläche,
- Aufnehmen der von dem Abschnitt der Fahrbahnoberfläche reflektierten Schallwellen mit einem oder mehreren Schallaufnehmern,
- Vergleichen der für den Fahrbahnabschnitt aufgenommenen Amplituden der Schallwellen bei den unterschiedlichen Frequenzen (Frequenzanalyse) mit für eine Vielzahl von Oberflächenzuständen für eine Vielzahl unterschiedlicher Fahrbahnbeläge bereitgestellten Referenzwerten, wobei der Grad der Übereinstimmung mit einem der Referenzwerte eine entsprechende Wahrscheinlichkeit für das Vorliegen eines zugehörigen Fahrbahnbelags und Oberflächenzustands anzeigt.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei das Abstrahlen der Schallwellen das Abstrahlen eines Rauschens mit bekanntem Spektrum, eines Chirps oder diskreter Frequenzen umfasst.
9. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei das Abstrahlen der Schallwellen das Rollgeräusch der rollenden Reifen umfasst, und wobei die Referenzwerte für die jeweils gefahrene Geschwindigkeit und Eigenschaften des an dem Fahrzeug verwendeten Reifentyps ausgewählt sind.
10. Verfahren zur dynamischen Beeinflussung einer Fahrdynamikregelung eines Fahrzeugs in Abhängigkeit von einem Zustand einer Fahrbahnoberfläche, umfassend:
- Erfassen eines Zustands einer Oberfläche einer momentan befahrenen Fahrbahn in Echtzeit mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-9, oder Empfangen eines gegenwärtigen Zustands einer Oberfläche einer momentan befahrenen Fahrbahn, und
- Ansteuern der Fahrdynamikregelung, in Abhängigkeit von dem Zustand der Oberfläche der momentan befahrenen Fahrbahn, zum:
- Begrenzen eines maximalen für eine Fahrzeugbeschleunigung zulässigen Drehmoments an einem oder mehreren Rädern,
- automatische Beeinflussen von Differentialen an einer oder mehreren Achsen,
- Begrenzen einer Flöchstgeschwindigkeit,
- Verringern einer Geschwindigkeit auf einen an den Zustand der Fahrbahnoberfläche angepassten Höchstwert,
- Verändern des Ansprech- und/oder Eingriffsverhaltens eines ESP-Systems, und/oder
- Begrenzen einer maximalen Geschwindigkeit der Änderung des Lenkwinkels.
11 . Vorrichtung zur Echtzeitbestimmung eines Oberflächenzustands einer von einem Fahrzeug (104) momentan befahrenen Fahrbahn (106) mit mindestens einer Lichtquelle (700) und einem Sensor (702) sowie einem oder mehreren Prozessoren und zugeordnetem Speicher, wobei der Prozessor dazu konfiguriert ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 9 auszuführen.
12. Landfahrzeug mit einer Vorrichtung nach Anspruch 11 .
13. Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 10 auszuführen.
14. Computerlesbarer Datenträger, auf dem das Com puterprogramm produkt nach Anspruch 13 gespeichert ist.
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