Kraftfahrzeugen

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung gemäß Oberbegriff von Anspruch 1 sowie ein Verfahren gemäß Oberbegriff von Anspruch 11.

Moderne elektronische Fahrerassistenz- und Fahrdynamiksysteme sind häufig darauf angewiesen, auf eine Information über den Kraftschlussbeiwert zwischen Fahrbahn und Reifen zuzugreifen oder zumindest Annahmen zu treffen. Beispielhaft sei ein Fahrerassistenzsystem zur Vermeidung von Unfällen genannt. Bei einem solchen System ist es von großer Bedeutung, den Kraftschlussbeiwert zu kennen und bei der Berechnung von Warn- und Eingriffszeitpunkten zu berücksichtigen. Wird der Kraftschlussbeiwert als zu niedrig angenommen, würde das System zu früh warnen bzw. eingreifen, und auf diese Weise den Fahrer bevormunden. Entsprechend ausgelegte Systeme würden von Fahrern nur schwerlich akzeptiert werden. Wird der Kraftschlussbeiwert zu hoch angenommen, warnt bzw.

greift das System zu spät ein, so dass beispielsweise eine Kollision möglicherweise nicht mehr verhindert werden kann.

Neben dem genannten Beispiel gibt es zahlreiche weitere Fahrerassistenz- und Fahrdynamiksysteme, deren Systemverhalten sich durch eine Information über den Kraftschlussbeiwert verbessern ließe. Des Weiteren kann der Fahrer über einen schlechten Fahrbahn-Reifen-Kontakt informiert werden, um seine Fahrweise dementsprechend anpassen zu können.

Folgende Ansätze werden derzeit in Elektronischen Bremssystemen eingesetzt, um den Kraftschlussbeiwert vorzugeben bzw. zu ermitteln:

- Annahme eines festen Wertes für den Kraftschlussbeiwert

- Indirekte Bestimmung des Kraftschlussbeiwertes mittels mathematischer Verfahren aus anderen im Fahrzeug (direkt) gemessenen Größen. Bei der Schätzung des Kraftschlussbeiwertes können beispielsweise nichtlineare Zustandsschätzer oder Kaiman-Filter zum Einsatz kommen.

Die erstgenannte Vorgehensweise durch Annahme eines festen Kraftschlussbeiwertes kommt bei einigen Systemen zur Anwendung, unter anderem bei Fahrerassistenzsystemen zur Vermeidung von Unfällen. In der Regel wird beispielsweise bei den Berechnungen der Warn- und/oder Eingriffszeitpunkte ein idealer Kraftschluss zwischen Reifen und Fahrbahn angenommen. Dies kann dazu führen, dass bei niedrigem Kraftschlussbeiwert zu spät gewarnt/eingegriffen wird - eine Kollision kann nicht verhindert werden.

Das als zweites genannte Verfahren findet beispielsweise bei Fahrdynamikregelungen Anwendung. Hierbei wird auf Basis direkt gemessener Fahrzeuggrößen eine Abschätzung des ausgenutzten Kraftschlussbeiwertes durchgeführt. Sofern dynamische Fahrsituationen vorliegen, lassen sich verhältnismäßig gute Ergebnisse erzielen. Befindet sich das Fahrzeug aber in einer Fahrsituation mit lediglich geringen Beschleunigungen, so führen diese Ansätze nicht mehr unbedingt zu dem gewünschten Erfolg, da der ausgenutzte Kraftschlussbeiwert in diesem Fall erheblich kleiner ist, als der reale.

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, eine Sensoranordnung und ein Verfahren vorzuschlagen, mit welchem eine relativ präzise Ermittlung einer Reibwert-Information der Fahrbahnoberfläche ermöglicht wird, insbesondere auch in gleichförmigen Fahrzuständen des Kraftfahrzeugs.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Sensoranordnung gemäß Anspruch 1 sowie durch das Verfahren gemäß Anspruch 11.

Unter der Reibwert-Information wird vorzugsweise ein Kraft- schlussbeiwert verstanden.

Es ist bevorzugt, dass die elektronische Auswerteschaltung so ausgelegt ist, dass sie die Intensitätswerte oder davon abhängige Größen, welche bei Erfassung der reflektierten und/oder gestreuten Strahlung durch die wenigstens eine Strahlungsemittereinheit und/oder die eine oder mehreren zusätzlichen Sensoreinheiten bereitgestellt werden, in einer Klassifikatoreinheit klassifiziert, wobei die Klassifikato- reinheit die Reibwert-Information, als Reibwert oder Reibwerttyp oder ein Reibwertintervall, berechnet und insbesondere wenigstens eine Güte-Information bereitstellt, welche eine Information über die Aussagekraft und/oder die Zuverlässigkeit der Reibwert-Information beinhaltet. - A -

Die Klassifikatoreinheit der elektronischen Auswerteschaltung ist zweckmäßigerweise so ausgelegt, dass sie eine Frequenzanalyse der Strahlungserfassungs-Ausgangssignale der zumindest einen Strahlungsemittereinheit und/oder der einen oder mehreren zusätzlichen Sensoreinheiten durchführt und insbesondere nach der Frequenzanalyse ein Energieverteilungsmuster bezogen auf einen oder mehrere definierte Frequenzbereiche und/oder bezogen auf Energieniveaus in definierten Frequenzbändern erkennt und/oder erfasst und diesem Energieverteilungsmuster unter Berücksichtigung von Referenzkriterien und/oder Referenzenergieverteilungsmustern die Reibwert-Information zuordnet.

Unter den Strahlungserfassungs-Ausgangssignalen werden vorzugsweise die Ausgangssignale der wenigstens einen Strahlungsemittereinheit und/oder der einen oder der mehreren zusätzlichen Sensoreinheiten verstanden, die von der erfassten reflektierten und/oder gestreuten Strahlung abhängen bzw. diese codieren bzw. die entsprechend erfasste Intensität dieser Strahlung codieren. Die Strahlungserfassungs- Ausgangssignale sind insbesondere digitale Signale bzw. Wertefolgen .

Die Klassifikatoreinheit der elektronischen Auswerteschaltung ist zweckmäßigerweise so ausgelegt, dass sie in Abhängigkeit der Varianz und/oder der Standardabweichung, insbesondere mittels einer Fuzzylogik gewichtet, der Strahlungserfassungs-Ausgangssignale der zumindest einen Strahlungsemittereinheit und/oder der einen oder der mehreren zusätzlichen Sensoreinheiten die Güte-Information bestimmt. Die Klassifikatoreinheit der elektronischen Auswerteschaltung ist vorzugsweise so ausgelegt, dass sie zur Bestimmung der Güte-Information weitere Parameter zur Plausibilisierung der Reibwert-Information, wie beispielsweise bzw. zumindest einen der folgenden Parameter; eine Temperaturinformation und/oder eine Regensensorinformation und/oder eine Zeit- /Datumsinformation, berücksichtigt .

Es ist bevorzugt, dass die Sensoranordnung mehrere Strahlungsemittereinheiten aufweist, welche von einander um einen definierten Weg beabstandet, bezogen auf eine Parallele zur Fahrbahnoberfläche, im Fahrzeug angeordnet sind, wobei diese Strahlungsemittereinheiten alle im Wesentlichen auf einen gemeinsamen Punkt oder auf ein gemeinsames Zielgebiet der Fahrbahnoberfläche gerichtet sind.

Alternativ vorzugsweise weist die Sensoranordnung mehrere Strahlungsemittereinheiten in einer gemeinsamen Clusterein- heit integriert auf, wobei diese Strahlungsemittereinheiten jeweils auf verschiedene Punkte der Fahrbahnoberfläche gerichtet sind.

Es ist bevorzugt, dass die eine oder die mehreren Strahlungsemittereinheiten, ein bzw. jeweils ein Laserelement umfassen, welches die Strahlung emittiert, und insbesondere ein Photoelement, welches die reflektierte und/oder gestreute Strahlung erfasst. Es ist zweckmäßig, dass das Photoelement als Photodiode ausgebildet ist und insbesondere die eine oder die mehreren Strahlungsemittereinheiten oder jede Strahlungsemittereinheit als Vertikal-Kavitäts-Oberflächenemittierender-Laser, „Vertical Cavity Surface Emitting Laser" mit integrierter Photodiode ausgebildet ist.

Alternativ vorzugsweise umfasst eine oder mehrere der Strahlungsemittereinheiten ein bzw. jeweils ein Laserelement, dass die Strahlung sowohl emittiert als auch sensiert bzw. erfasst, insbesondere durch Überlagerung im Laser. Dazu weist die Strahlungsemittereinheit besonders bevorzugt kein zusätzliches Sensorelement auf.

Die Sensoranordnung ist vorzugsweise so ausgebildet, dass sie zusätzlich aus der an der Fahrbahnoberfläche reflektierten Strahlung zumindest eine Geschwindigkeit, insbesondere die Fahrzeuglängsgeschwindigkeit, des Kraftfahrzeugs relativ zur Fahrbahnoberfläche ermittelt und/oder den Abstand des Fahrzeugchassis zur Fahrbahnoberfläche ermittelt, besonders bevorzugt wird hierzu dieselbe Strahlungsemittereinheit und dieselbe elektronische Auswerteschaltung verwendet. Ganz besonders bevorzugt ist die Sensoranordnung sowohl zur Erfassung einer Fahrzeuggeschwindigkeit sowie des Abstands des Fahrzeugchassis zur Fahrbahnoberfläche ausgebildet, wobei jeweils zwischen diesen Erfassungen umgeschaltet wird.

Die elektronische Auswerteschaltung ist bevorzugt zur Bestimmung der Reibwert-Information und/oder der Güte- Information mit einer zentralen elektronischen Kontrollein- heit, insbesondere eines Kraftfahrzeugregelungssystems bzw. KraftfahrzeugbremsSystems, verbunden .

Die Klassifikatoreinheit umfasst eingangsseitig bevorzugt einen Tiefpass.

Die Sensoranordnung erfasst vorzugsweise die reflektierte und die gestreute Strahlung im Wesentlichen in separaten Einheiten, insbesondere in Strahlungsemittereinheiten und zusätzlichen Sensoreinheiten, die hierzu in Bezug zu einer Fahrbahnoberflächenparallelen zueinander versetzt bzw.

beabstandet angeordnet sind.

Die Klassifikatoreinheit ist zweckmäßigerweise so ausgebildet, dass sie im Wesentlichen die Strahlungserfassungs- Ausgangssignale der Einheiten, die vornehmlich die reflektierte Strahlung erfassen und dabei besonders bevorzugt dieselbe Einheit ist bzw. dieselben Einheiten sind, welche die Strahlung emittiert/emittieren, oder in direkter Nähe der emittierenden Einheit/en angeordnet sind, und der Einheiten, die vornehmlich die gestreute Strahlung erfassen und dabei besonders bevorzugt in einem definierten Abstand zur emittierenden Einheit bzw. den emittieren Einheiten angeordnet sind, separat verarbeitet, zumindest separat vorverarbeitet, wonach gemeinsam die Reibwert-Information und/oder die Güte- Information ermittelt wird.

Die zumindest eine Strahlungsemittereinheit ist vorzugsweise als Laser ausgebildet, welcher monochromes, kontinuierliches, infrarotes Laserlicht emittiert. Die vorliegende Erfindung beschreibt vorzugsweise eine beispielhafte Sensoranordnung und ein beispielhaftes Verfahren, mit deren Hilfe sich die Schätzung des Kraftschlussbeiwertes verbessern lässt, so dass sich auch in nicht-dynamischen Fahrsituationen eine zuverlässige und robuste Klassifikation des Kraftschlusses zwischen Fahrbahn und Reifen durchführen lässt. Das genannte Verfahren kann zur Bestimmung des Kraft- schlussbeiwertes zwischen Reifen und Fahrbahn bzw. zur Abschätzung einer Kraftschlussbeiwertklasse basierend auf den Reflektions- und Absorptionseigenschaften der Beschaffenheit der Fahrbahnoberfläche in Verbindung mit einem Zwischenmedium (z.B. Wasser) angewandt werden. Zur Erlangung einer höheren Robustheit können bereits existierende Schätz- und/oder Messverfahren durch die genannte Eingangsinformation ergänzt werden .

Als spezielle Ausgestaltungsform ist die Sensoranordnung bevorzugt so ausgebildet bzw. die mindestens eine Strahlungsemittereinheit so angeordnet und ausgerichtet, dass die Fahrbahnoberfläche vor dem Fahrzeug abgetastet wird, um somit eine Vorausschau auf den kommenden Kraftschlussbeiwert zu erhalten. Auf diese Weise kann auf sich ändernde Kraft- schlussbeiwerte besser reagiert werden.

Zweckmäßigerweise ist die wenigstens eine Strahlungsemittereinheit sowohl Emitter als auch Empfänger bzw. Sensor. In diesem Fall ergibt sich durch die relative Bewegung zwischen Emitter und Fahrbahnoberfläche in Strahlrichtung eine Frequenzverschiebung des reflektierten Lichts, die auch als „Doppler-Effekt" bekannt ist. Dieses Messverfahren zeichnet sich dadurch aus, dass der Laseremitter gleichzeitig als Messzelle verwendet wird und dort ausgesendete und empfangene Photonen interferieren („self-mixing") . Beispielsweise mittels Frequenzanalyse wird aus dem Interferenzsignal die Differenzfrequenz zwischen emittierten und reflektierten Photonen ermittelt. Aus der Amplitude der im Spektrum vorhandenen Frequenzen kann eine Aussage über die Reflektivität des Untergrunds abgeleitet werden. Ein solches „self-mixing" Lasersystem ist beispielsweise ein Vertikal-Kavitäts- Oberflächenemittierender-Laser .

Die Vorteile des beispielhaft vorgeschlagenen Verfahrens und der beispielhaften Sensoranordnung gegenüber anderen optischen Verfahren sind beispielsweise:

- Das verwendete IR-Licht ist für Menschen nicht sichtbar und kann damit andere Verkehrsteilnehmer nicht stören.

- Ausgesendete und reflektierte Photonen stehen in einer exakten Phasenbeziehung zueinander (kohärentes Laserlicht), wodurch andere Quellen, selbst die mit der gleichen Frequenz, von der Messzelle nicht erfasst werden.

- Die beschriebene Technologie ist inzwischen hochintegriert verfügbar, was eine kostengünstige Realisierung und eine leichte Integration in das Fahrzeug ermöglicht.

- Die Tatsache, dass Sende- und Messeinheit in einem Bauteil integriert sind, reduziert die Kosten und erhöht die Präzision .

- Die vom Laser abgestrahlte Leistung kann bei dieser Technologie so niedrig gewählt werden, dass auch bei direkter Einstrahlung in das menschliche Auge (z.B. Mechaniker) keine Schäden entstehen.

- Der geringe Strahldurchmesser des fokussierten Lasers erfordert nur kleine „Austrittsfenster", wodurch sich das System leicht vor Verschmutzung schützen last.

- Durch die kostengünstige, miniaturisierte Bauweise der VCSEL lassen sich in einem Bauteil mehrere Laser integrieren, wodurch mehrere und/oder redundant Messrichtungen er- fasst werden können.

Über eine bevorzugte, geeignete geometrische Anordnung mehrerer Laser kann die Rückstreuung bzw. Reflektion unter verschiedenen Einstrahlwinkeln erfasst werden. Hierdurch kann ein Rückstreuungsprofil in Abhängigkeit des Einstrahlwinkels erzeugt werden, welches charakteristisch für die Beschaffenheit einer jeden Fahrbahnoberfläche ist. Während beispielsweise bei rauen Oberflächen ein nahezu homogenes Rückstrahlungsprofil (ähnliche Rückstreuung unter allen Winkeln) zu erwarten ist, zeigt sich bei glatten Oberflächen bei spitzen Auftreffwinkeln eine geringere Rückstreuung als bei stumpfen (idealer Spiegel: Rückstreuung bzw. Reflexion nur bei senkrechtem Auftreffen von Laserstrahl auf Fahrbahn) .

Auf Basis der unterschiedlich starken Rückstreuungen unter den Einfallwinkeln, unter den gemessen wird, ist beispielhaft eine Bestimmung der vorherrschenden Kombination von Re- flexivität/Rauhigkeit des Untergrundes und des sich auf der Fahrbahn befindenden Zwischenmediums möglich. Mit Hilfe dieser Informationen kann ein Rückschluss auf den bei Verwen- düng üblicher Luftgummireifen vorherrschenden Kraftschluss zwischen Fahrbahn und Reifen gezogen werden.

Weitere Möglichkeiten/ bevorzugte Verfahrensschritte zur Signalauswertung sind:

- Frequenzanalyse des Amplitudensignals: Es steht zu erwarten, dass verschiedene Untergründe verschiedene Reflexionsmuster aufweisen, die sich im Spektrum niederschlagen.

- Standardabweichung des Amplitudensignals: Es steht zu erwarten, dass verschiedene Untergründe verschiedene Standardabweichungen aufweisen.

- Verwendung von Filtern mit bestimmten Frequenzverlauf: Es steht zu erwarten, dass charakteristische Information zum Reibwert in einem bestimmten Frequenzbereich vorliegt, der gezielt aus dem Amplitudensignal extrahiert wird.

- Das Entfernungssignal eines Sensors gibt Auskunft über die Rauhigkeit der Fahrbahn. Raue Fahrbahnen haben unterschiedliche Reibwerte, bzw. könnte dies ein Indiz für losen Schnee oder Schotter sein.

- Das Amplitudensignal kann auch relativ verwendet werden: Ist aus einem anderen System zur Reibwertschätzung der aktuelle Reibwert bekannt, und das Amplitudensignal weist einen Sprung auf, so kann auf einen schnellen Reibwertsprung geschlossen werden.

Es ist zweckmäßig, dass die Sensoranordnung mindestens einen CV-Sensor (Closing Velocity Sensor) zur Fahrbahnoberflächenerfassung aufweist. Unter einem CV-Sensor wird insbesondere ein Sensor verstanden, der sonst zur Abstandmessung zwischen Fahrzeugen in einem Fahrzeug montiert, verwendet wird. Weitere bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den nachfolgenden Beschreibungen von Ausführungsbeispielen an Hand von Figuren.

Es zeigen in schematischer, beispielhafter Darstellung

Fig. 1 eine Sensoranordnung mit drei Lasersensoren Laser

1 -3, als Strahlungsemittereinheiten,

Fig. 2 eine Sensoranordnung umfassend eine Clustereinheit bzw. ein Lasersensorcluster,

Fig. 3 Signalverarbeitung bzw. Verfahrensablaufdiagramm zur Reibwertklassifizierung mit einem optischen Sensor,

Fig. 4 Klassifizierung von verschiedenen Fahrbahnoberflächen mit einem CV-Sensor (Closing Velocity Sensor) , und

Fig. 5 einen beispielhaften Signalverlauf der Reibwertklassifizierung mit einer beispielhaften Sensoranordnung, beispielgemäß mit einem CV-Sensor.

Beispielgemäß sollten alle Laser-Strahlen bzw. die Laserstrahlen der Laser 1 -3 sich in einem Punkt auf den Untergrund treffen wie in Fig. 1 dargestellt, um das Rückstreu- ungsprofil in exakt diesem Punkt zu erhalten. In einer alternativen, beispielhaften Ausführungsform wird ein Laser- sensorcluster (Gehäuse) mit mehreren Laseremittern und - sensoren verwendet, bei dem die unterschiedlichen Laserstrahlen von (annährend) einem Punkt abgestrahlt werden, wie anhand der Fig. 2 veranschaulicht, aufgrund der unterschiedlichen Winkel allerdings nicht in einem Punkt auf der Fahrbahn auftreffen. Unter der Annahme, dass die Fahrbahnbeschaffenheit homogen sei, können entsprechende Effekte vernachlässigt werden.

Die Signalauswertung eines Systems zur Reibwertschätzung ist beispielhaft Fig. 3 dargestellt, wobei die Funktionsblöcke Plausibility Check und Intensity Classificator der Klassifi- katoreinheit der elektronischen Auswerteschaltung angehören bzw. Teil dieser Schaltung sind. Zunächst findet eine Plau- sibilisierung statt. Hierbei wird sichergestellt, dass nur Messwerte verwendet werden, bei denen tatsächlich die Fahrbahn vermessen wird. Erfasst der Sensor beispielsweise die Geschwindigkeit, so ist zu überprüfen, dass die gemessene Geschwindigkeit im gleichen Bereich liegt wie die Geschwindigkeit, die beispielsweise von Raddrehzahlsensoren gemessen wird. Erfasst der Sensor beispielsweise den Abstand, so ist zu überprüfen, dass der gemessene Abstand im Bereich des typischen Abstands Sensor-Fahrbahn liegt.

Im zweiten Schritt wird aus dem plausibilisierten Signal die Fahrbahnsituation und somit indirekt der Reibwert klassifiziert. Das Hauptmerkmal stellt dabei die Amplitude dar. Wie in Fig. 4 dargstellt, lassen sich Amplitudenbereiche verschiedenen Fahrbahnbeschaffenheiten zuordnen. Diese Zuordnung könnte beispielsweise durch ein Fuzzy-Logik-Modul er- folgen. Jedem Amplitudenbereich ist dabei ein Reibwert zugeordnet, der in den Bereichübergängen anteilig gewichtet wird.

Zur Beschreibung des Effektes wurden zunächst die in Fig. 4 angegebenen Fahrbahnoberflächen vermessen. Die Punkte stellen jeweils den Mittelwert und die Fehlerbalken die Standardabweichung einer Messung dar, wobei Messungen 1-4 und 13 längere Fahrten ä 20 Minauten darstellen. Es ist eine deutliche Unterscheidbarkeit der verschiedenen Fahrbahnen zu erkennen .

Fig. 5 zeigt den zeitlichen Verlauf des Signals bzw. des Ausgangssignals des CV-Sensors. Auch hier ist eine deutliche und zudem sehr schnelle Erkennung der verschiedenen Untergründe zu erkennen. Insbesondere kann in der oberen Darstellung selbst ein mehrfacher μ-Sprung erkannt werden, wobei die Asphaltflächen nur ca. 5m lang waren.