DE4023538A1 - Kollisionswarneinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kollisionswarneinrichtung nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Es sind Kollisionswarneinrichtungen für Kraftfahrzeuge bekannt und am Markt erhältlich, die mit Hilfe von Ultraschallsensoren den Abstand zu anderen Gegenständen im Fahrzeugheckbereich ermitteln. Bei Unterschreiten eines vorgegebenen Mindestabstandes wird ein Warnsignal für den Fahrer abgegeben.

Bei diesen bekannten Kollisionswarneinrichtungen wird von Ultraschallsensoren, die sowohl als Sender als auch als Empfänger ausgebildet sind, ein kurzes Ultraschallsignal ausgesendet, das bei Vorhandensein eines Hindernisses an diesem reflektiert und vom Ultraschallsensor empfangen wird. Aufgrund der Laufzeit wird die Entfernung zwischen dem Ultraschallsensor und dem reflektierenden Hindernis berechnet.

Die bekannten Kollisionswarneinrichtungen für Kraftfahrzeuge geben jedoch keinen Hinweis über die Richtung des Hindernisses. Dazu sind zwar Weiterbildungen der bekannten Einrichtungen bekannt, bei welchen eine gerichtete Abstrahlung der Ultraschallsignale in Form einer schmalen Sendekeule erfolgt, deren Richtung laufend verändert wird, wie es auch bei Radaranlagen geschieht. Außer dem zusätzlichen Aufwand einer entsprechenden Schwenkvorrichtung ist bei diesen Weiterbildungen nachteilig, daß die Zeit für eine vollständige Abtastung des Beobachtungsfeldes mit wachsender Winkelauflösung stark zunimmt. Bei zeitkritischen Anwendungen, beispielsweise beim Einsatz in Kraftfahrzeugen mit dessen schnellen Lageveränderungen, sind diese Verfahren oft zu langsam und damit ungeeignet.

Bei weiteren bekannten Einrichtung (DE 38 32 720 A1 und DE 38 27 729 A1) wird eine Abstandsinformation mit Hilfe einer Ultraschallmessung und eine Richtungsinformation mit Hilfe eines Infrarotstrahls gewonnen, der periodisch im zu erfassenden Winkelbereich geschwenkt wird.

Die Kollisionswarneinrichtung, insbesondere zur Vermeidung von Kollisionen mit stehenden Hindernissen im Nahbereich eines Kraftfahrzeugs mit den Merkmalen des Hauptanspruchs hat den Vorteil, daß mit äußerst geringem Aufwand durch einfache Abstandsmessungen auf die Art und die relative Lage des Hindernisses in bezug auf das Kraftfahrzeug geschlossen werden kann und daß somit derjenige Abstand ermittelt werden kann, der besonders kritisch zur Vermeidung einer Kollision ist. Dieser ist beispielsweise bei einer schräg hinter dem Kraftfahrzeug verlaufenden Wand der Abstand zwischen der Wand und einer Ecke des Kraftfahrzeugs.

Außer einer Einrichtung zur Auswertung der Laufzeiten werden bei der erfindungsgemäßen Kollisionswarneinrichtung lediglich zwei einfache Ultraschallsensoren benötigt. Die Auswerteeinrichtung kann im wesentlichen durch einen Mikroprozessor oder einen Signalprozessor mit einem entsprechenden Programm gebildet werden.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Erfindung möglich.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung anhand mehrerer Figuren dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Ultraschallsensoren, welche am Heck eines Kraftfahrzeugs angeordnet sind, und eines Hindernisses,

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Kollisionswarneinrichtung,

Fig. 3 ein Struktogramm eines für den Prozessor vorgesehenen Programms,

Fig. 4 eine Erläuterung der geometrischen Verhältnisse bei einem flächenhaften Hindernis, beispielsweise einer Wand, und

Fig. 5 die geometrischen Verhältnisse bei punktförmigen Hindernissen.

Gleiche Teile sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Am Heck 1 eines Kraftfahrzeugs, das in Fig. 1 lediglich angedeutet ist, sind im Abstand x zwei Ultraschallsensoren S1 und S2 angeordnet, deren Abstrahl- und Empfangscharakteristik im wesentlichen ungebündelt ist, so daß alle Hindernisse, die im Nahbereich hinter dem Kraftfahrzeug auftreten, erfaßt werden können. In Fig. 1 ist ein punktförmiges Hindernis 2 dargestellt. Vom Ultraschallsensor S1 wird ein Ultraschallsignal ausgesendet. Danach werden von beiden Ultraschallsensoren S1 und S2 am Hindernis 2 reflektierte Signale empfangen. Aus der Laufzeit des vom Ultraschallsensor S1 empfangenen Signals kann in an sich bekannter Weise die Entfernung e zwischen dem Ultraschallsensor S1 und dem Hindernis 2 berechnet werden. Die Laufzeit des vom Ultraschallsensor S2 empfangenen Signals entspricht der Laufzeit des Ultraschallsignals zwischen Ultraschallsensor S1, dem Hindernis 2 und dem Ultraschallsensor S2 und gestattet die Berechnung der Entfernung y, die im folgenden auch als Ergebnis der Kreuzmessung bezeichnet wird.

Mit Hilfe eines vom Ultraschallsensor S2 ausgesandten Ultraschallsignals kann die Entfernung d zwischen dem Ultraschallsensor S2 und dem Hindernis 2 und nochmals die Entfernung y bestimmt werden. Die zweifache Durchführung der Kreuzmessung erhöht die Sicherheit, da oft nur in einer Richtung Signale empfangen werden.

Bevor auf die Auswertung der Messungen im einzelnen eingegangen wird, erfolgt eine kurze Beschreibung der Kollisionswarneinrichtung anhand von Fig. 2, welche ein stark vereinfachtes Blockschaltbild darstellt. Die Ultraschallsensoren S1, S2 sind mit einem Prozessor 3 verbunden, an den wiederum eine Anzeigeeinrichtung 4 angeschlossen ist. Der Prozessor besteht im wesentlichen aus einem Mikroprozessor oder einem Signalprozessor mit einem entsprechenden Programm. Durch ihn erfolgt außer der Auswertung der Laufzeiten auch die Steuerung der zeitlichen Abfolge etwa in dem Sinn, daß zunächst der Ultraschallsensor S1 ein Ultraschallsignal sendet, der dann wie auch der Ultraschallsensor S2 empfangsbereit geschaltet wird, daß durch Zählung von Zeiteinheiten die Laufzeiten zwischen dem Aussenden des Ultraschallsignals und dem Eintreffen der reflektierten Ultraschallsignale an den Ultraschallsensoren S1, S2 erfaßt werden. Danach wird ein Ultraschallsignal vom Ultraschallsensor S2 ausgesandt, worauf die Laufzeiten bis zum Eintreffen der reflektierten Ultraschallsignale bei den Ultraschallsensoren S1, S2 wiederum bestimmt werden.

Nachdem die Werte für die Laufzeiten feststehen, werden die Entfernungen y, e, d berechnet. Daraufhin erfolgt die im folgenden anhand der Fig. 3, 4 und 5 beschriebene Auswertung.

Bei der Darstellung nach Fig. 1 ist wegen des punktförmigen Hindernisses auch nur ein "Reflektionspunkt" vorhanden. Die sich bei der Kreuzmessung ergebenden Strecken entsprechen der Summe derjenigen Strecken bei der Einzelmessung. Bei ausgedehnten Hindernissen - wie beispielsweise einer Wand - ist dieses jedoch nicht der Fall. Zwischen den Entfernungen e, d und y ergeben sich daher bei verschiedenen Hindernissen auch verschiedene mathematische Beziehungen.

Da durch die Ultraschallmessungen die Entfernungen bekannt sind, kann geprüft werden, welcher dieser Bedingungen die gemessenen Größen jeweils gehorchen. Somit läßt sich die Art des Hindernisses bestimmen. Für die wichtigsten Hindernisformen sind die Bedingungen im folgenden wiedergegeben:

y² = x² + 4e · d → Wand
y = e + d → Punkt
(y²-x²)/4e < d → Inneneck
(y²-x²)/4e e → Kreis, Kante
(y²-x²)/4e d → Kreis, Kante,

wobei x der Abstand zwischen den Ultraschallsensoren S1, S2, d die aufgrund der Reflektionsmessung mit dem einen Ultraschallsensor gemessene längere Entfernung, e die aufgrund der Reflektionsmessung mit dem anderen Ultraschallsensor gemessene kürzere Entfernung (e<d) und y die Entfernung aufgrund der Kreuzmessung ist.

In Abhängigkeit von der Art des Hindernisses kann anschließend eine der folgenden Gleichungen zur Berechnung des Abstandes verwendet werden:

Wand:

z = e-(g-x) · (d-e)/2x,

Punkt innerhalb des Bereichs der Ultraschallsensoren:

z = [e²-{((d²-e²)/x-x)²}/4]^1/2,

Punkt außerhalb des Bereichs der Ultraschallsensoren:

z = [e² + (g²-x²)/4 + ((g-x)/2x) · (d²-e²)]^1/2,

Inneneck:

z = e · [1 + (1-cos β) · ((g-x)/2x)]-(g-x)/2,

Kreis, Kante:

z = e-[(g-x) · ((y²-x²)/4e-e)]/2x,

wobei z der Abstand zwischen dem Hindernis und dem Kraftfahrzeug und g die Breite des Kraftfahrzeugs ist.

Fig. 3 zeigt ein Struktogramm eines für den Prozessor 3 vorgesehenen Programms, wobei in einem ersten Programmteil 5 als sogenannte Remarks lediglich Erläuterungen der einzelnen Größen vorgesehen sind. In einem Programmteil 6 wird geprüft, ob die Größen y, e, d und x der Bedingung für das Vorhandensein einer Wand genügen. Ist dieses der Fall, wird im Programmteil 7 nach der oben angegebenen, für die Wand gültigen Formel der Abstand z berechnet.

Ist die Bedingung für die Wand im Programmteil 6 nicht gegeben, wird im Programmteil 8 geprüft, ob die Bedingung für ein punktförmiges Hindernis gegeben ist. Zutreffendenfalls wird bei 9 der Abstand z nach der für einen Punkt gültigen Formel berechnet. Ist im Programmteil 8 die Bedingung für einen Punkt nicht gegeben, wird im Programmteil 10 geprüft, ob es sich um ein Inneneck handelt. Je nach dem Ergebnis dieser Prüfung wird bei 11 der Abstand für den Fall eines Innenecks oder bei 12 der Abstand z für den Fall eines Kreises berechnet.

Fig. 4 verdeutlicht die Ableitung einer Formel für den geringsten Abstand z zwischen dem Kraftfahrzeug 1 und einer Wand 15. Dazu sind zusätzlich zu den senkrecht auf der Wand 15 stehenden Strecken e und d und den gestrichelt dargestellten Strecken y für die Kreuzmessung Hilfslinien 16, 17 eingetragen, welche parallel zur Wand einerseits durch die linke Ecke 18 des Kraftfahrzeugs 1 und andererseits durch den Ultraschallsensor S1 verlaufen. Der Abstand z ergibt sich aus der Entfernung e abzüglich der Länge der Strecke a. Diese kann zu der Länge der Strecke b in Beziehung gesetzt werden, wobei b sich aus der Breite des Kraftfahrzeugs g und dem Abstand x der Ultraschallsensoren S1 , S2 zu b = (g-x)/2 berechnen läßt. Wegen der Ähnlichkeit der Dreiecke mit den Hypothenusen b und x ergibt sich a/b = u/x, wobei u = d-e ist. Insgesamt ergibt sich dann für den Abstand z = e - (g-x)×(d-e)/2x.

Fig. 5 erläutert die Abstandsberechnung für punktförmige Hindernisse am Beispiel von drei verschiedenen Punkten 21, 22, 23. Es werden drei Bereiche des Raums unterschieden, in dem Hindernisse erfaßt werden. Der Bereich 24 liegt zwischen den Sensoren, der Bereich 25 liegt jeweils zwischen einem Sensor und dem Fahrzeugrand, während sich der Bereich 26 außerhalb der Fahrzeugbreite befindet.

Der Punkt 22 liegt innerhalb des durch die Ultraschallsensoren S1 und S2 gegebenen Bereichs 24, während die Punkte 21 und 23 außerhalb liegen. Punkt 21 stellt dadurch einen Sonderfall dar, daß er auf der Verlängerungslinie der Fahrzeugseite, also hinter dem Eckpunkt 18 liegt. Zur Unterscheidung, ob ein Punkt innerhalb des von den Ultraschallsensoren S1 und S2 gegebenen Bereichs liegt, wird geprüft, ob x²+e² d² ist.

Claims (7)

1. Kollisionswarneinrichtung, insbesondere zur Vermeidung von Kollisionen mit stehenden Hindernissen im Nahbereich eines Kraftfahrzeugs, mit einer Einrichtung zur berührungslosen Abstandsmessung, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Ultraschallsensoren (S1, S2) in einem vorgegebenen Abstand angeordnet sind und daß eine Einrichtung (3) zur Auswertung der Laufzeiten zwischen dem Aussenden jeweils eines Ultraschallsignals und dem Empfangen eines reflektierten Ultraschallsignals des jeweils gleichen und des jeweils anderen Ultraschallsensors (Kreuzmessung) vorgesehen ist.

2. Kollisionswarneinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Einrichtung (3) zur Auswertung der Laufzeiten geprüft wird, welche von mehreren vorgegebenen mathematischen Beziehungen die jeweils aus den Laufzeiten errechneten Entfernungen gehorchen und daß in Abhängigkeit von dem Ergebnis der Prüfung eine von mehreren vorgegebenen Gleichungen zur Berechnung eines Abstandes verwendet wird.

3. Kollisionswarneinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgegebenen mathematischen Beziehungen folgende sind: y² = x² + 4e · d,
y = e + d,
(y²-x²)/4e < d,
(y²-x²)/4e e,
(y²-x²)/4e dsind, wobei x der Abstand zwischen den Ultraschallsensoren (S1, S2), d die aufgrund der Reflektionsmessung mit dem einen Ultraschallsensor gemessene größere Entfernung, e die aufgrund der Reflektionsmessung mit dem anderen Ultraschallsensor gemessene kleinere Entfernung (e<d) und y die Entfernung aufgrund der Kreuzmessung ist.

4. Kollisionswarneinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand z zwischen dem Kraftfahrzeug und dem Hindernis (2, 15, 21, 22, 23) nach einer der folgenden Gleichungen berechnet wird: z = e-(g-x) · (d-e)/2x,
z = [e²-{((d²-e²)/x-x)²}/4]^1/2,
z = [e²-{(x-(d²-e²)/x)²}/4]^1/2,
z = [e² + (g²-x²)/4 + ((g-x)/2x) · (d²-e²)]^1/2,
z = e · [1 + (1-cos β) · ((g-x)/2x)]-(g-x)/2,
z = e-[(g-x) · ((y²-x²)/4e-e)]/2x,wobei g die Breite des Kraftfahrzeugs und β der Öffnungswinkel der Ultraschallsensoren ist.

5. Kollisionswarneinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallsensoren (S1, S2) nach folgendem Zyklus betrieben werden:

• a) ein Ultraschallsensor (S1) sendet,
• b) beide Ultraschallsensoren (S1, S2) sind solange auf Empfang geschaltet, wie noch reflektierte Ultraschallsignale bei vorgegebenem Meßbereich erwartet werden,
• c) der zweite Ultraschallsensor (S2) sendet,
• d) beide Ultraschallsensoren (S1, S2) sind solange auf Empfang geschaltet, wie noch reflektierte Ultraschallsensoren bei vorgegebenem Meßbereich erwartet werden.

6. Kollisionswarneinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Entfernung zwischen einem Ultraschallsensor (S1) und einem Hindernis (2) aus der Differenz zwischen dem Ergebnis der Kreuzmessung einerseits und der Entfernung zwischen dem Hindernis (2) und dem anderen Ultraschallsensor (S2) andererseits berechnet wird, wenn die Entfernung zwischen dem Hindernis (2) und dem einen Ultraschallsensor (S1) wegen einer zu geringen Laufzeit nicht gemessen werden kann.

7. Kollisionswarneinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß aus den direkt gemessenen Entfernungen und der durch Differenzbildung berechneten Entfernung ein Abstand nach der Gleichung z = [e²-{((d²-e²)/x-x)²}/4]^1/2berechnet wird.