AUF DIE STRASSENOBERFLäCHE GERICHTETE LASERSENSOREN ZUM ERFASSEN

DER BEWEGUNG EINES FAHRZEUGS

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf die Erfassung einer Bewegung eines Kraftfahr- zeugs. Gegenstand der Erfindung ist insbesondere eine Sensoreinrichtung zum Erfassen des Bewegungszustands eines Kraftfahrzeugs. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Erfassen des Bewegungszustands eines Kraftfahrzeugs.

Hintergrund der Erfindung

Der Erfassung von Bewegungen eines Kraftfahrzeugs kommt in der Automobiltechnik besondere Bedeutung zu. Bewegungsgrößen, wie beispielsweise die Fahrzeuglängsgeschwindigkeit, stellen eine wichtige Information für den Fahrer des Fahrzeugs dar. Ferner dienen Bewegungsgrößen als Eingangssignale für Fahrdynamikregelsysteme, mit denen Sicherheit und Komfort des Fahrzeugs verbessert werden. Ein herkömmliches Fahrdynamikregelsystem umfasst dabei in der Regel Raddrehzahlsensoren, aus deren Messwerten die Fahrzeuglängsgeschwindigkeit abgeleitet wird, sowie einen Sensor zur Erfassung der Gierrate des Fahrzeugs und Sensoren zur Erfassung der Querbeschleunigung und gegebenenfalls der Längsbeschleunigung.

Aus der DE 10 2004 060 677 A1 geht eine optische Einrichtung zum Ermitteln der Geschwindigkeit eines Kraftfahrzeugs hervor, bei der Bilder des Fahrzeuguntergrunds in einer Folge aufgenommen werden. Anhand einer Verschiebung von Objekten bzw. Strukturmerkmalen innerhalb der Bilder wird die Geschwin- digkeit des Fahrzeugs ermittelt. Neben der Längsgeschwindigkeit kann dabei auch die Quergeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs ermittelt werden, die einer Messung mittels der Fahrzeugsensorik häufig nicht zugänglich ist und eine nützliche Eingangsgröße für Fahrdynamikregelsysteme darstellt.

Eine derartige Einrichtung erfordert in der Regel eine zusätzliche Beleuchtung der Fahrbahnoberfläche, wodurch sich der Aufwand für die Integration in ein Kraftfahrzeug erhöht. Ferner ist die Einrichtung relativ anfällig gegen Verschmutzungen der Kamera bzw. der Beleuchtungseinrichtung, die aufgrund der Einbaulage am Unterboden des Kraftfahrzeugs verstärkt auftreten. Hierdurch kann die Verfügbarkeit der Einrichtung beeinträchtigt werden. Darüber hinaus können mit der Einrichtung lediglich Geschwindigkeitskomponenten in der Fahrbahnebene, nicht jedoch senkrecht dazu erfasst werden.

Darstellung der Erfindung

Daher ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Erfassung von Bewegungen eines Kraftfahrzeugs zu ermöglichen, die insbesondere eine zuverlässigere Bewegungserfassung ermöglicht.

Die Aufgabe wird durch eine Sensoreinheit mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 15 gelöst. Ausführungsformen der Sensoreinheit und des Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Sensoreinrichtung zum Erfassen eines Bewegungszustands eines Kraftfahrzeugs vorgeschlagen. Die Sensoreinrichtung umfasst wenigstens eine Lasereinheit, die eine Lichtquelle

zum Emittieren von kohärentem Licht aufweist, das in Richtung einer Fahrbahnoberfläche ausgesendet wird, wenn die Sensoreinrichtung am Kraftfahrzeug angeordnet ist, und die einen Interferenz-Detektor aufweist, der dazu ausgebildet ist, wenigstens eine Messgröße zu erfassen, die eine Interferenz zwi- sehen dem an der Oberfläche gestreuten Licht und dem Licht der Lichtquelle charakterisiert. Die Messgröße repräsentiert eine Geschwindigkeitskomponente der Sensoreinrichtung und/oder eine Entfernung zwischen der Sensoreinrichtung und der Fahrbahnoberfläche. Die Lasereinheit ist mit einer Auswerteeinrichtung gekoppelt, die dazu ausgebildet ist, aus der Messgröße wenigstens eine den Bewegungszustand des Fahrzeugs charakterisierende Größe zu bestimmen.

Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Erfassen eines Bewegungszustands eines Kraftfahrzeugs mit einer Sensoreinrichtung vorgeschlagen. Das Verfahren sieht vor, dass

- aus einer Lichtquelle der Sensoreinrichtung kohärentes Licht in Richtung einer Fahrbahnoberfläche ausgesendet wird,

- mit einem Interferenz-Detektor der Sensoreinrichtung wenigstens eine Messgröße erfasst wird, die eine Interferenz zwischen dem an der Fahr- bahnoberfläche gestreuten Licht und dem Licht der Lichtquelle charakterisiert, wobei die Messgröße eine Geschwindigkeitskomponente der Sensoreinrichtung und/oder eine Entfernung zwischen der Sensoreinrichtung und der Fahrbahnoberfläche repräsentiert, und

- nach Maßgabe der Messgröße wenigstens eine den Bewegungszustand des Fahrzeugs charakterisierende Größe ermittelt.

Die Erfindung ermöglicht eine berührungslose Bestimmung des Bewegungszustands des Kraftfahrzeugs. Hierdurch kann eine zuverlässige, von störenden Einflüssen unabhängige Bestimmung des Bewegungszustands des Fahrzeugs erreicht werden. Ferner wird durch das optische Messverfahren eine sehr genaue Ermittlung der den Bewegungszustand des Fahrzeugs charakterisierenden Größe ermöglicht.

Bei der den Bewegungszustand des Fahrzeugs charakterisierenden Größe kann es sich insbesondere um eine oder mehrere Geschwindigkeitskomponenten des Fahrzeugs und/oder um einen oder mehrere Drehwinkel des Fahrzeugs handeln. Diese können anhand der Entfernung zwischen der Sensoreinrichtung und der Fahrbahnoberfläche bestimmt werden, bei der es sich um die Entfernung entlang des von der Sensoreinrichtung gemessenen Lichtstrahls handelt. Darüber hinaus können Drehwinkelgeschwindigkeiten, insbesondere die Gierrate, Nickrate und/oder Wankrate des Fahrzeugs, bestimmt werden. Dies kann unter Heranziehung von erfassten Geschwindigkeitskomponenten und/oder durch zeitliche Ableitung von entsprechenden Drehwinkeln erfolgen.

Das von der Lichtquelle in Richtung der Fahrbahnoberfläche ausgesendete Licht wird zumindest teilweise zu der Lichtquelle zurückgestreut.

Um einen kompakten und unkomplizierten Aufbau der Sensoreinrichtung zu erreichen, ist der Ort der Interferenz daher vorzugsweise die Lichtquelle, insbesondere ein Laserresonator der Lichtquelle. Eine derartige Interferenz führt zu einer Veränderung des Betriebszustands des Lasers, der mit einem Detektor erfasst werden kann. Dies wird auch als SeIf-M ixing-Effekt bezeichnet.

In einer Ausführungsform der Sensoreinrichtung und des Verfahrens umfasst die Sensoreinrichtung wenigstens einen Sensorcluster mit mehreren Lasereinheiten, die mit der Auswerteeinrichtung gekoppelt sind, wobei die Lasereinhei- ten Licht in verschiedene Richtung emittieren. Vorzugsweise umfasst der Sensorcluster drei Lasereinheiten.

Mittels der drei Lasereinheiten, die jeweils Licht in eine bestimmte Richtung aussenden, lassen sich vorteilhaft drei Geschwindigkeitskomponenten der Sen- soreinrichtung bestimmen und/oder drei Entfernungen zwischen der Sensoreinrichtung und der Fahrbahnoberfläche. Anhand der drei Geschwindigkeitskomponenten lässt sich insbesondere die translatorische Geschwindigkeit der Sen-

soreinrichtung relativ zur Fahrbahn in die drei Raumrichtungen bestimmen. Wird mittels der Lasereinheiten jeweils die Entfernung zur Fahrbahnoberfläche ermittelt, kann daraus die Lage der Sensoreinrichtung relativ zu der Fahrbahnoberfläche bestimmt werden.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Sensoreinrichtung und des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Lasereinheiten des Sensorclusters in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind, das an einer Unterseite einer Fahrzeugkarosserie befestigt werden kann, die im Betrieb des Kraftfahrzeugs der Fahr- bahnoberfläche zugewandt ist.

Ein Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass die Lasereinheiten des Sensorclusters in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind, woraus ein kompakter und kostengünstiger Aufbau des Sensorclusters resultiert. Ferner kann der Sensorcluster in dieser Ausgestaltung besonders einfach am Fahrzeug montiert werden, da nicht jede Lasereinheit einzeln angebracht und ausgerichtet zu werden braucht.

Eine Weiterbildung der Sensoreinrichtung und des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist, aus den mittels der Lasereinheiten des Sensorclusters erfassten Messgrößen jeweils eine Geschwindigkeitskomponente des Sensorclusters zu ermitteln und basierend auf den ermittelten Geschwindigkeitskomponenten wenigstens eine Geschwindigkeitskomponente des Kraftfahrzeugs zu bestimmen.

Bei der Geschwindigkeitskomponente des Kraftfahrzeugs kann es sich um eine Geschwindigkeitskomponente des Fahrzeugschwerpunkts handeln, die besonders zur Charakterisierung des fahrdynamischen Zustands des Kraftfahrzeugs geeignet ist. Insbesondere kann die Fahrzeuglängsgeschwindigkeit und/oder die Fahrzeugquergeschwindigkeit bezogen auf den Fahrzeugschwerpunkt bestimmt werden.

Die Bewegung an einem Punkt des Kraftfahrzeugs, insbesondere die Bewegung der Sensoreinrichtung, kann zerlegt werden in die Translationsgeschwindigkeit des Fahrzeugschwerpunkts und einer Drehbewegung des betreffenden Punkts relativ zum Fahrzeugschwerpunkt, die durch die Drehraten des Fahr- zeugs bzw. der Fahrzeugkarosserie beschrieben werden kann. Die Drehraten des Fahrzeugs umfassen eine Gierrate, welche die Drehgeschwindigkeit um die Fahrzeughochachse charakterisiert, eine Wankrate, welche eine Drehgeschwindigkeit um die Fahrzeuglängsachse charakterisiert und eine Nickrate, welche die Drehgeschwindigkeit um die Fahrzeugquerachse charakterisiert. Vorzugsweise wird wenigstens eine Drehrate herangezogen, um anhand der ermittelten Geschwindigkeitskomponenten des Sensorclusters die Geschwindigkeit des Fahrzeugsschwerpunkts zu bestimmen.

Infolgedessen sieht eine Ausgestaltung der Sensoreinrichtung und des Verfah- rens vor, dass die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist, bei der Bestimmung der Geschwindigkeitskomponente des Kraftfahrzeugs wenigstens eine Drehrate des Kraftfahrzeugs heranzuziehen.

Eine Ausgestaltung der Erfindung, die insbesondere die Ermittlung wenigstens einer Geschwindigkeitskomponente des Kraftfahrzeugs ermöglicht, beinhaltet, dass die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist, aus den in den Sensor- clustern erfassten Messgröße und der mittels der Einrichtung erfassten ersten Drehrate wenigstens eine Geschwindigkeitskomponente des Kraftfahrzeugs und/oder eine zweite Drehrate zu bestimmen.

Vorteilhaft wird hier neben den zwei Sensorclustern eine Einrichtung zur Bestimmung einer Drehrate herangezogen, um eine Komponente der Fahrzeuggeschwindigkeit und/oder eine weitere Drehrate des Fahrzeugs zu ermitteln. Hierdurch kann mit einer relativ einfachen Sensorkonfiguration der Bewegungs- zustand des Kraftfahrzeugs einschließlich einer oder mehrere Geschwindig- keitskomponente(n) und wenigstens zwei Drehraten bestimmt werden.

Eine verbundene Ausgestaltung der Sensoreinrichtung und des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass es sich bei der Einrichtung zum Bestimmen der Drehrate um einen Drehratensensor, insbesondere einen Gierratensensor, handelt.

Der Drehratensensor ist beispielsweise als ein mikromechanischer Drehratensensor ausgestaltet. Bei der Gierrate handelt es sich um eine besonders wichtige Größe zur Charakterisierung des fahrdynamischen Zustands des Kraftfahrzeugs, insbesondere im Hinblick auf die Stabilität des Fahrzustands. Daher wird die Gierrate in dieser Ausgestaltung direkt gemessen, während insbesondere eine weitere Drehrate, wie beispielsweise die Wankrate, aus den ermittelten Messgrößen berechnet werden kann.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Sensoreinrichtung und des Verfahrens wird auf einen zusätzlichen Sensor verzichtet, der eine Messgröße nach einem anderen Messprinzip erfasst. In dieser Ausführungsform umfasst die Sensoreinrichtung drei mit der Auswerteeinrichtung gekoppelte Sensorcluster, wobei die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist, aus den mit den drei Sensorclustern ermittelten Messgrößen wenigstens eine Geschwindigkeitskomponente des Kraftfahrzeugs und/oder wenigstens eine Drehrate des Fahrzeugs zu bestimmen.

Ferner umfasst eine Ausgestaltung der Sensoreinrichtung und des Verfahrens einen ersten Sensorcluster mit mehreren - insbesondere drei - Lasereinheiten, wobei die Frequenzen des von den Lasereinheiten emittierten Lichts nach einem Modulationsschema derart modulierbar sind, dass in der Auswerteeinrichtung aus der erfassten Messgröße jeweils eine Entfernung ermittelbar ist, wobei die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist, aus den ermittelten Entfernungen wenigstens einen Drehwinkel und/oder wenigstens eine Drehrate des Fahr- zeugs zu bestimmen.

Vorteilhaft nutzt diese Ausgestaltung die Möglichkeit, aus den mittels der Lasereinheiten des ersten Sensorclusters ermittelten Entfernungen die Lage des Sensorclusters relativ zur Fahrbahn bzw. einen Drehwinkel der Fahrzeugkarosserie relativ zur Fahrbahn zu bestimmen. Aus dem Drehwinkel lässt sich zudem auch die entsprechende Drehrate berechnen, die in dieser Ausgestaltung gleichfalls bestimmt werden kann. Die Berechnung der Drehrate geschieht insbesondere durch Ableiten des Drehwinkels nach der Zeit.

Eine verbundene Ausgestaltung der Sensoreinrichtung und des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenzen des von den Lasereinheiten emittierten Lichts nach einem Modulationsschema derart modulierbar sind, dass aus der erfassten Messgröße jeweils neben der Entfernung eine Geschwindigkeitskomponente des ersten Sensorclusters ermittelbar ist.

Ein Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass neben den Entfernungen zwischen dem Sensorcluster und der Fahrbahnoberfläche auch Geschwindigkeitskomponenten der Sensoreinrichtung relativ zur Fahrbahnoberfläche ermittelt werden können. Dies lässt sich durch ein geeignetes Modulationsschema erreichen.

Eine weitere verbundene Ausgestaltung der Sensoreinrichtung und des Verfahrens beinhaltet, dass die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist, aus den mit dem ersten Sensorcluster ermittelten Geschwindigkeitskomponenten und der Drehrate wenigstens eine Geschwindigkeitskomponente des Kraftfahrzeugs zu bestimmen.

Die Genauigkeit bei der Bestimmung der Schwerpunktgeschwindigkeit lässt sich durch die Berücksichtigung wenigstens einer weiteren Drehrate verbessern. Aus diesem Grund ist es bei einer Ausführungsform der Sensoreinrich- tung und des Verfahrens vorgesehen, dass die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist, zur Ermittlung der Geschwindigkeitskomponente des Kraftfahr-

zeugs eine weitere Drehrate heranzuziehen, die mittels eines Drehratensensors ermittelt wird.

Vorteilhaft kann es sich bei der Drehrate insbesondere um die Gierrate des Fahrzeugs handeln. Der Drehratensensor ist in diesem Falls als ein Gierratensensor ausgestaltet.

Eine alternative Ausgestaltung verzichtet auf die Verwendung eines zusätzlichen Drehratensensors, der nach einem anderen Messprinzip arbeitet als die Lasereinheiten der Sensoreinrichtung. Diese Ausgestaltung umfasst einen mit der Auswerteeinrichtung verbundenen zweiten Sensorcluster, wobei aus der in dem zweiten Sensorcluster erfassten Messgröße Geschwindigkeitskomponenten des zweiten Sensorclusters ermittelbar sind, wobei die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist, aus den ermittelten Geschwindigkeitskomponenten des ersten und zweiten Sensorclusters wenigstens eine weitere Drehrate des Fahrzeugs zu ermitteln und die weitere Drehrate zur Ermittlung der Geschwindigkeitskomponente des Kraftfahrzeugs heranzuziehen.

Es ergibt sich aus der vorhergehenden Darstellung der Sensoreinrichtung, dass sich diese insbesondere für einen Einsatz in einem Kraftfahrzeug eignet. Neben der Sensoreinrichtung stellt die Erfindung zudem ein Kraftfahrzeug bereit, das eine Sensoreinrichtung der zuvor beschriebenen Art umfasst.

Die zuvor genannten und weitere Vorteile, Besonderheiten und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung werden auch anhand der Ausführungsbeispiele deutlich, die nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben werden.

Kurze Beschreibung der Figuren

Von den Figuren zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit einer erfin- dungsgemäßen Sensoreinrichtung in einem Vertikalschnitt,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit einer erfin- dungsgemäßen Sensoreinrichtung in einem Horizontalschnitt,

Fig. 3 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung des Funktionsprinzips einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung,

Fig. 4 eine schematische Veranschaulichung der Lage verschiedener Koordinatensysteme relativ zu dem Fahrzeug,

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit drei Sensor- clustern in einem Horizontalschnitt,

Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit zwei Sensor- clustern in einem Horizontalschnitt,

Fig. 6a eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit einem Sen- sorcluster in einem Horizontalschnitt,

Fig. 7 eine schematische Darstellung eines Sensorclusters in einer Ausgestaltung, die eine Entfernungsmessung ermöglicht,

Fig. 8 ein Diagramm mit einer prinzipiellen Darstellung des zeitlichen Verlaufs einer modulierten Frequenz des von einer Lasereinheit emittierten Lichts,

Fig. 9 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit einem Sen- sorcluster und einem Drehratensensor und

Fig. 10 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit zwei Sensor- clustern in einer weiteren Ausgestaltung.

Darstellung von Ausführungsbeispielen

In Figur 1 ist in einer schematischen Darstellung ein Kraftfahrzeug 101 gezeigt, das mit einem Sensorcluster 102 ausgerüstet ist, der mit einer in dem Fahrzeug 101 angeordneten Auswerteeinrichtung 110 verbunden ist. Das Kraftfahrzeug 101 umfasst eine Karosserie 105 und Räder 106. Bei dem Kraftfahrzeug 101 kann es sich beispielsweise um einen Personenkraftwagen oder einen Lastkraftwagen mit einer beliebigen Anzahl von Achsen und Rädern 106 handeln. Insoweit ist die Darstellung in der Figur rein beispielhaft zu verstehen. Bei der Auswerteeinrichtung 110 handelt es sich um eine elektronische Recheneinheit, die über einen Mikroprozessor zur Durchführung von Berechnungen verfügt und einen nichtflüchtigen Speicher aufweist, in dem Algorithmen und Parameter für die Durchführung der Berechnungen gespeichert sind. Der Sensorcluster 102 ist am Unterboden der Karosserie 105 angeordnet und umfasst drei Lasereinheiten 108a,b,c, von denen in Figur 1 nur eine Lasereinheit 108a dargestellt ist. Jede Lasereinheit 108a,b,c sendet einen Messlichtstrahl 103a,b,c unter einem Winkel α _; (i = a,b,c) zum Unterboden des Fahrzeugs 101 in Richtung der Fahrbahnoberfläche 104 aus. Durch ein optisches Element 107a,b,c wird der Messlichtstrahl 103a,b,c gebündelt und auf einen Punkt der Fahrbahn 104 oder auf einen Punkt in der Nähe der Fahrbahnoberfläche 104 fokussiert. Der Messlichtstrahl 103a,b,c einer Lasereinheit 108a,b,c wird durch kohärentes Licht gebildet und beispielsweise in einem Halbleiterlaser erzeugt, der in einer Ausgestaltung als Vertical Cavity Surface Emitting Laser (VCSEL) ausgestaltet sein kann. Das Licht liegt vorzugsweise in einem unsichtbaren, insbesondere im infraroten Spektralbereich, so dass die Messlichtstrahlen 103a,b,c nicht sichtbar sind und Verkehrsteilnehmer nicht irritiert werden können. Alternativ kann jedoch auch Licht in einem anderen Spektralbereich erzeugt werden. Die Lasereinheiten 108a,b,c des Sensorclusters 102 sind so angeordnet, dass ihre Messlichtstrahlen 103a,b,c unterschiedliche Richtungen haben. In einer beispielhaften Konfi-

guration schließen die Messlichtstrahlen 103a,b,c denselben Winkel α _; mit dem Unterboden des Fahrzeugs ein, ihre Projektionen auf den Fahrzeugunterboden haben jedoch unterschiedliche Winkel δ _; zur Fahrzeuglängsrichtung, wie es in Figur 2 schematisch veranschaulicht ist. Andere Konfigurationen sind jedoch selbstverständlich ebenfalls möglich.

Die grundsätzliche Funktionsweise der Lasereinheiten 108a,b,c wird beispielhaft anhand von Figur 3 für eine Lasereinheit 108i veranschaulicht, die exemplarisch für alle Lasereinheiten 108a,b,c des Sensorclusters 102 steht. Die La- sereinheit 108i umfasst einen Resonator 301 der Länge L , welcher durch einen vorderen teildurchlässigen Spiegel 302 und einen hinteren teildurchlässigen Spiegel 303 begrenzt wird. Der Messlichtstrahl 103i wird durch Licht gebildet, das durch den vorderen Spiegel 302 aus dem Resonator 301 in Richtung der Fahrbahnoberfläche 104 austritt. Die Länge der Strecke, die der Messlichtstrahl 103 zwischen dem Resonator 301 bzw. dem vorderen Spiegel 302 und der Fahrbahnoberfläche 104 zurücklegt, wird hier mit L ₀ bezeichnet. An der Fahrbahnoberfläche 104 wird der Messlichtstrahl 103 gestreut. Ein Teil des gestreuten Lichts wird als Streulichtstrahl 305 in entgegengesetzte Richtungen zu dem Messlichtstrahl 103i zurückreflektiert. Durch die optische Einrichtungen 107i gelangt der Streulichtstrahl 305 in den Resonator 301 und interferiert dort mit dem im Resonator 301 verstärkten Licht.

Bewegen sich der Resonator 301 und die Fahrbahnoberfläche 104 augrund einer Bewegung des Fahrzeugs 101 relativ zueinander mit einer Geschwindig- keitskomponente v _Lι in Richtung des Messlichtstrahls 103, dann erfährt der Streulichtstrahl 305 eine Doppler-Verschiebung. Hierbei handelt es sich um eine Veränderung der Frequenz des Lichts beziehungsweise der Wellenlänge in Abhängigkeit von der genannten Geschwindigkeitskomponente v _Lι . Aufgrund der Rückkopplung des Streulichtstrahls 305 in den Resonator 301 tritt innerhalb des Resonators 301 ein SeIf-M ixing-Effekt auf. Dies bedeutet, dass es zu einer Modulation der Laserverstärkung kommt, deren Frequenz von der Doppler- Verschiebung des Streulichtstrahls 305 abhängt und damit auch von der be-

schriebenen Geschwindigkeitskomponente. Die zeitliche Veränderung Ag der Laserverstärkung in Abhängigkeit von der Geschwindigkeitskomponente v _Ll der Relativbewegung zwischen dem Resonator 301 und der Fahrbahnoberfläche 104 in Richtung des Messlichtstrahls 103i wird durch die folgende Gleichung beschrieben:

Ag = -- ^■ cos(4 - π ^■ / ₀ ^■ v _Ll ^■ t/c + 4 - π ^■ L ₀ ^■ fjc) (1 )

Hierin bezeichnet K einen laserspezifischen Kopplungskoeffizienten, der einen Wert zwischen Null und Eins besitzt, / ₀ die Frequenz des von der Lasereinheit 108i emittierten Lichts, c die Lichtgeschwindigkeit und t die Zeit. Gleichung (1 ) ergibt sich beispielsweise aus der Theorie des SeIf-M ixing-Effekts in M. H. Koe- link et al., "Laser Doppler velocimeter based on the self-mixing effect in a fibre- coupled semiconductor laser: theory", Applied Optics, Vol. 31 , 1992, Seiten 3401-3408.

Die periodische Modulation der Laserverstärkung führt zu einer entsprechenden periodischen Modulation der Intensität des von dem Resonator 301 emittierten Lichts. Aus der Frequenz, mit der sich die gemessene Intensität periodisch verändert, kann die Geschwindigkeitskomponente v _Ll ermittelt werden. Zur Messung der Intensität des von dem Resonator 301 emittierten Lichts ist die Fotodi- ode 306 vorgesehen, die Licht erfasst, das durch den hinteren Spiegel 303 aus dem Resonator 301 austritt. üblicherweise wird eine solche Diode 306 zur Konstanthaltung bzw. Regelung der Intensität des Laserlichts verwendet und ist daher in der Regel bereits Bestandteil der Ausstattung von kommerziell erhältlichen Laserdioden. In der vorliegenden Anwendung wird die Fotodiode 306 mit der Auswerteeinrichtung 110 verbunden, die aus dem zeitlichen Verlauf der gemessenen Intensität die Frequenz der Intensitätsänderungen ermittelt und anhand dieser Frequenz die Geschwindigkeitskomponente v _Lι bestimmt.

Mittels der drei Lasereinheiten 108a,b,c des Sensorclusters 102 können somit drei Geschwindigkeitskomponenten v _Ll (i = a,b,c) ermittelt werden, die von der

Auswerteeinrichtung 110 ausgewertet werden. Für die vorzunehmende Auswer-

tung ist es günstig, ein Sensorkoordinatensystem 401 zu betrachten, das in Figur 4 veranschaulicht ist. Bei dem Sensorkoordinatensystem 401 handelt es sich um ein rechtwinkliges Koordinatensystem, dessen Ursprung in einem Messzeitpunkt mit dem Montageort des Sensorclusters 102 zusammenfällt. Das Sensorkoordinatensystem 401 ist also ein raumfestes Koordinatensystem, das im Messzeitpunkt fahrzeugfest initialisiert wird. Beispielsweise zeigt die x _s - Achse des Sensorkoordinatensystems in Fahrzeuglängsrichtung nach vorne, die y _s -Achse in Fahrzeugquerrichtung nach links und die z _s -Achse in Fahrzeughochrichtung nach oben. Andere Ausrichtungen des Sensorkoordinatensystems 401 sind jedoch gleichfalls möglich. Neben dem Sensorkoordinatensystem 401 ist in Figur 4 zudem das Schwerpunktsystem 402 des Fahrzeugs 101 dargestellt, dessen Ursprung im Messzeitpunkt im Fahrzeugschwerpunkt CM initialisiert wird. Wie bei dem Sensorkoordinatensystem 401 zeigt die Xv-Achse des Schwerpunktsystems 402 in Fahrzeuglängsrichtung nach vorne, die yv-Achse in Fahrzeugquerrichtung nach links und die z _v -Achse in Fahrzeughochrichtung nach oben. Das Schwerpunktsystem 402 ist also gegenüber dem Sensorkoordinatensystem 401 entlang der Verbindungslinie zwischen dem Sensorcluster 102 und dem Fahrzeugschwerpunkt CM verschoben und gedreht.

Im Sensorkoordinatensystem 401 können die Richtungen H ₁ der Messlichtstrahlen 103a,b,c des Sensorclusters 102 durch die Winkel α _; und δ _; angegeben werden, die sich aus der festen Einbaulage des Sensorclusters 102 ergeben und als Parameter im nichtflüchtigen Speicher der Auswerteeinrichtung 110 gespeichert werden können und in den Figuren 1 und 2 veranschaulicht sind. Dabei gilt für die Richtungen:

Die mittels des Sensorclusters 102 gemessenen Geschwindigkeitskomponenten entsprechen den Komponenten der Geschwindigkeit v des Sensorclusters 102 entlang dieser Richtungen, d.h., unter Verwendung des Skalarprodukts gilt

v _Ll = v - n _t (i = a,b,c) (3)

Aus den entsprechenden Gleichungen für die drei Geschwindigkeitskomponen- ten v _La , v _Lb und v _Lc , die mit den Lasereinheiten 108a,b,c des Sensorclusters 102 ermittelt werden können, ergibt sich ein lineares Gleichungssystem, aus dem in der Auswerteeinrichtung 110 die Komponenten des Geschwindigkeitsvektors v = (v _x ,v _y ,v _z ) entlang der drei Achsen des Sensorkoordinatensystems 401 ermittelt werden können. Diese entsprechen den Komponenten der Geschwindigkeit des Sensorclusters 102 im Schwerpunktsystem 402, da dieses lediglich gegenüber dem Sensorkoordinatensystem 401 verschoben und ge- dreht ist. Aus der Geschwindigkeit v ermittelt die Auswerteeinrichtung 110 die Translationsgeschwindigkeit v _CM des Fahrzeugschwerpunkts CM, bezogen auf das Sensorkoordinatensystem 401 bzw. auf das Schwerpunktsystem 402. Dies geschieht unter Verwendung der an sich bekannten Beziehung v = v _CM -ώ xx (4)

Dabei bezeichnet x den Verbindungsvektor ausgehend vom Sensorcluster 102 zum Fahrzeugschwerpunkt CM. Um die Auswerteeinrichtung 110 dazu zu befähigen, die Schwerpunktgeschwindigkeit v _CM zu berechnen, werden die Komponenten des Verbindungsvektors x zwischen dem Sensorcluster 102 und dem Fahrzeugschwerpunkt CM in einer Ausführungsform als Parameter in dem nichtflüchtigen Speicher der Auswerteeinrichtung 110 hinterlegt, nachdem sie zuvor für einen typischen Beladungszustand des Fahrzeugs 101 bestimmt worden sind. Veränderungen der Lage des Schwerpunkts CM aufgrund einer veränderten Beladung werden in dieser Ausgestaltung vernachlässigt. Die in Gleichung (4) enthaltene Größe ώ = [d$/dt ,dθ/dt bezeichnet die Winkelge- schwindigkeit des Fahrzeugs 101 , bei deren Komponenten es sich um die Wankrate d$/dt des Fahrzeugs 101 , die Nickrate dθ/dt des Fahrzeugs 101 und die Gierrate des Fahrzeugs 101 handelt.

Da das Sensorkoordinatensystem 401 und das Schwerpunktsystem 402 fahr- zeugfest initialisiert werden, sind die xy-Ebenen dieser Systeme aufgrund von

Wank- und Nickbewegungen der Fahrzeugkarosserie 105 gegenüber der Fahr-

bahnoberfläche 104 um den aktuellen Nick- und Wankwinkel gedreht. üblicherweise wird der fahrdynamische Zustand des Fahrzeugs 101 jedoch durch Geschwindigkeitskomponenten, insbesondere eine Fahrzeuglängsgeschwindigkeit v _C ^h _{M x} und eine Fahrzeugquergeschwindigkeit v _C ^h _{M y} charakterisiert, die auf ein horizontiertes System bezogen werden. Hierbei handelt es sich um ein Koordinatensystem, dessen xy-Ebene parallel zur Fahrbahnebene verläuft oder in der Fahrbahnebene liegt. üblicherweise wird ein horizontiertes System verwendet, dessen Ursprung im Betrachtungszeitpunkt lotrecht unterhalb des Schwerpunkts CM des Fahrzeugs 101 in der Fahrbahnebene initialisiert wird. Die x-Achse verläuft in der Fahrbahnebene entlang der Fahrzeuglängsrichtung nach vorne, die y-Achse verläuft in der Fahrbahnebene 104 entlang der Fahrzeugquerrichtung nach links, die z-Achse verläuft senkrecht zur Fahrbahnoberfläche 104 entlang der Fahrzeughochrichtung nach oben. Zwischen der Schwerpunktgeschwindigkeit v _CM bezogen auf das Schwerpunktsystem 402 und der auf das horizontierte System bezogenen Schwerpunktgeschwindigkeit V _CM ⁼ { ^v c _{M,x >} ^v c _{M,y >} ^v c _M,z ) besteht der folgende Zusammenhang : v _CM = S _γ (θ )S _X (φ ψ _CM bzw. V^ = SA-Q )S _X (- φ )ϊ _CM (5)

Hierbei beschreibt die Matrix S _y (θ ) eine Drehung um die momentane y-Achse um den Nickwinkel θ und die Matrix S _x (φ) eine Drehung um die momentane x- Achse um den Wankwinkel φ , und es gilt:

Zur Bestimmung der Schwerpunktgeschwindigkeit v _CM im Schwerpunktsystem 402 ist somit die Kenntnis der Drehraten des Fahrzeugs 101 , d.h., der Gierrate, der Wankrate und der Nickrate, erforderlich, und die Ermittlung der Schwerpunktgeschwindigkeit im horizontierten System v _C ^h _M erfordert darüber hinaus die Kenntnis des Wankwinkels und des Nickwinkels des Fahrzeugs 101.

Zur Bestimmung der Bewegung des Fahrzeugs entsprechend seiner drei translatorischen und drei rotatorischen Freiheitsgrade werden in einer Ausführungsform, die in Figur 5 schematisch anhand eines Blockdiagramms veranschaulicht ist, drei Sensorcluster 102a,b,c der zuvor beschriebenen Art eingesetzt, die mit der Auswerteeinrichtung 110 verbunden werden. Die Sensorcluster 102a,b,c sind am Unterboden des Fahrzeugs 101 angeordnet. Die Anordnung wird zudem derart gewählt, dass die Sensorcluster 102a,b,c nicht auf einer Geraden und vorzugsweise nicht in einer Ebene angeordnet sind. Für jeden Sensorcluster 102a,b,c kann, wie zuvor beschrieben, in der Auswerteeinrichtung 110 die Geschwindigkeit V ₁ (i = a,b,c) des Sensorclusters 102 bezogen auf das Schwerpunktsystem 402 ermittelt werden. Aus dem Vergleich der Geschwindigkeiten V ₁ untereinander bestimmt die Auswerteeinrichtung 110 dann die Wankrate, die Nickrate und die Gierrate des Fahrzeugs 101. Für den Vergleich zweier Geschwindigkeiten V ₁ gilt dabei die folgende Gleichung, welche für die Auswertung herangezogen wird, und die beispielsweise aus Gleichung (4) erhalten werden kann:

V ₁ - V _j = (U X r _1J (i,j = a,b,c) (7)

Hierbei bezeichnet r _y = r _t - r _} den Verbindungsvektor zwischen dem Sensorcluster i und dem Sensorcluster j. Für die Paare {i,j) = {a,b),{a,c),{b,c) führt Gleichung (7) auf drei Vektorgleichungen. Diese entsprechen einem Gleichungssystem mit 9 Gleichungen, aus denen drei Gleichungen ausgewählt werden, anhand derer die Auswerteeinrichtung 110 die Drehraten des Fahrzeugs 101 ermittelt. Die Drehraten werden dann von der Auswerteeinrichtung 110 herangezogen, um die Schwerpunktgeschwindigkeit v _CM des Fahrzeugs 101 im Schwerpunktsystem 402 zu bestimmen. Dies geschieht anhand von Gleichung (4) unter Verwendung der für einen Sensorcluster 102a,b,c ermittelten Geschwindigkeit V ₁ (i = a,b,c). Alternativ können auch zunächst zwei oder drei Werte für die Schwerpunktgeschwindigkeit v _CM unter Heranziehung der für die weiteren Sensorcluster 102a,b,c ermittelten Geschwindigkeit V ₁ bestimmt werden, und die Schwerpunktgeschwindigkeit v _CM kann aus den einzelnen Werten abgeleitet werden. Dies erhöht die Genauigkeit der Geschwindigkeits-

bestimmung und erlaubt eine Plausibilitätsprüfung, bei der die drei ermittelten Werte miteinander verglichen werden, um bei zu großen Abständen eine fehlerhafte Messung festzustellen.

Darüber hinaus können durch eine zeitliche Integration der Wankrate und der Nickrate der Wankwinkel und der Nickwinkel ermittelt werden. Die Integration kann beispielsweise bei einem der Auswerteeinrichtung 110 gemeldeten Zündungsstart begonnen und unter Zugrundelegung der Voraussetzung durchgeführt werden, dass Wankwinkel und Nickwinkel beim Zündungsstart den Wert Null aufweisen. Unter Verwendung des Wankwinkels und des Nickwinkels bestimmt die Auswerteeinrichtung 110 in dieser Ausgestaltung, basierend auf Gleichung (5) die Fahrzeuglängsgeschwindigkeit v _C ^h _{M x} und die Fahrzeugquergeschwindigkeit v _C ^h _{M y} sowie gegebenenfalls die Vertikalgeschwindigkeit v _C ^h _{M z} des Fahrzeugschwerpunkts CM im hohzontierten System.

Ausgangssignale der mit den drei Sensorclustern 102a,b,c verbundenen Auswerteeinrichtung 110 sind beispielsweise die Komponenten der Translationsgeschwindigkeit v _CM des Fahrzeugschwerpunkts im Schwerpunktsystem 402, die bei geringen Wank- und Nickbewegungen des Fahrzeugs 101 gute Nähe- rungswerte für die Translationsgeschwindigkeit v _C ^h _M im horizontierten System darstellen. Falls eine Bestimmung der Drehwinkel des Fahrzeugs 101 durch Integration der Drehraten vorgesehen ist, kann von der Auswerteeinrichtung 110 auch die Geschwindigkeit v _C ^h _M im horizontierten System als Ausgangsgröße ausgegeben werden. Weitere Ausgangsgrößen stellen die drei ermittelten Drehraten des Fahrzeugs 101 dar.

Eine weitere Ausführungsform, die in Figur 6 schematisch veranschaulicht ist, unterscheidet sich von der zuvor beschriebenen Ausgestaltung dadurch, dass anstelle von drei Sensorclustern 102a,b,c lediglich zwei Sensorcluster 102a,b eingesetzt werden, die beabstandet voneinander am Unterboden der Fahrzeugkarosserie 105 montiert sind. Zusätzlich wird jedoch ein Drehratensensor 601 vorgesehen, dessen Messsignale der Auswerteeinrichtung 110 neben den

Messsignalen der Sensorcluster 102a,b zugeführt werden, so dass eine Drehrate des Fahrzeugs 101 direkt gemessen wird. Die nicht direkt gemessenen Drehraten werden bei dieser Ausgestaltung aus den für die Sensorcluster 102a,b ermittelten Geschwindigkeiten v _a und v _b , die in der Auswerteeinrichtung 110 in der zuvor beschriebenen Weise bestimmt werden, und aus der gemessenen Drehrate bestimmt. Dabei wird entsprechend Gleichung (5) die Beziehung v _a - v _b =ώ x f _ab für die Differenz der auf das Schwerpunktsystem 402 bezogenen Geschwindigkeiten v _a und v _b herangezogen. Diese Vektorgleichung um- fasst drei Gleichungen, von denen zwei zur Bestimmung der Drehraten heran- gezogen werden, die nicht mittels des Drehratensensors 601 gemessen werden. Nachdem die verbleibenden Drehraten berechnet worden sind, bestimmt die Auswerteeinrichtung 110 anhand der für einen Sensorcluster 102a,b oder beide Sensorcluster 102a, b ermittelten Geschwindigkeiten v _a und v _b die Translationsgeschwindigkeit v _CM des Fahrzeugschwerpunkts CM bezogen auf das Schwerpunktsystem 402 analog wie in der zuvor unter Bezugnahme auf Figur 5 beschriebenen Ausgestaltung. Wie bei dieser Ausgestaltung können durch eine zeitliche Integration der Wankrate und der Nickrate zudem Wank- und Nickwinkel des Fahrzeugs 101 ermittelt werden.

Bei dem Drehratensensor 601 handelt es sich vorzugsweise um einen Gierratensensor, da die Gierrate den größten Einfluss auf die Fahrdynamik besitzt und daher eine von anderen Größen unabhängige, direkte Messung der Gierrate vorteilhaft ist. Zudem dient die Gierrate üblicherweise als eine Eingangsgröße von Fahrdynamikregelsystemen, so dass es auch insoweit vorteilhaft ist, diese Größe direkt zu messen. Gleichfalls kann jedoch anstelle des Gierratensensors auch ein Wankratensensor oder ein Nickratensensor eingesetzt werden. Der verwendete Drehratensensor kann in einer dem Fachmann an sich bekannten Art ausgestaltet sein, insbesondere als ein an sich bekannter mikromechanischer Drehratensensor.

Ausgangssignale der Auswerteeinrichtung 110 sind in dieser Ausgestaltung beispielsweise die Komponenten der Translationsgeschwindigkeit v _CM des

Fahrzeugschwerpunkts im Schwerpunktsystem 402 oder - falls eine Bestimmung der Drehwinkel des Fahrzeugs 101 durch Integration der Drehraten vorgesehen ist - Translationsgeschwindigkeit v _C ^h _M im horizontierten System. Weitere Ausgangsgrößen sind die zwei Drehraten des Fahrzeugs 101 , die nicht direkt mittels des Drehratensensors 601 gemessen werden. Bei Verwendung eines Gierratensensors sind dies die Wankrate und die Nickrate des Fahrzeugs 101.

Bei Vernachlässigung von Wank- und Nickbewegungen des Fahrzeugs 101 kann auch eine Sensorkonfiguration mit einem Geschwindigkeitscluster 102 und einem Drehratensensor 601 eingesetzt werden, um die zuvor genannten Größen näherungsweise zu bestimmen. Diese Sensorkonfiguration ist schematisch in Figur 6a dargestellt. Bei dem Drehratensensor 601 handelt es sich aus den zuvor bereits genannten Gründen vorzugsweise um einen Gierratensensor.

Solange das Fahrzeug 101 höchstens kleinen Längs- und Querbeschleunigungen ausgesetzt ist, sind Wank- und Nickbewegungen des Fahrzeugs 101 klein. In einer weiteren Ausgestaltung kann es daher vorgesehen sein, Wank- und Nickbewegungen der Fahrzeugkarosserie 105 aufgrund eines Einfederns zu vernachlässigen, so dass Wank- und Nickwinkel sowie Wank- und Nickrate des Fahrzeugs 101 mit dem Wert Null angesetzt werden können. In dieser Ausgestaltung wird das Kraftfahrzeug 101 mit einem Sensorcluster 102 und einem Gierratensensor ausgerüstet, dessen Messsignale der Auswerteeinrichtung zusätzlich zu den Messsignalen des Sensorcluster 102 als Eingangssignale zugeführt werden. Aus den Messsignalen des Sensorclusters 102 bestimmt die Auswerteeinrichtung 110 dabei die Geschwindigkeit v des Sensorclusters. Dann wird unter Heranziehung der Gierrate dy /dt ein Näherungswert für die Translationsgeschwindigkeit v _CM des Fahrzeugschwerpunkts CM ermittelt. Dies geschieht gemäß der Beziehung

die aus Gleichung (4) unter Vernachlässigung von Wankrate und Nickrate des Fahrzeugs 101 gewonnen wird. Die Größe x bezeichnet hier die x-Komponente des Vektors x im Sensorkoordinatensystem 401 , d.h. den in Fahrzeuglängsrichtung gemessenen Abstand des Fahrzeugschwerpunkts CM vom Sensorc- luster 102 die Größe y bezeichnet die y-Komponenten des Vektors x im Sensorkoordinatensystem 401 , d.h. den in Fahrzeugquerrichtung gemessenen Abstand des Fahrzeugschwerpunkts CM vom Sensorclusters 102. Die Ausgangssignale der Auswerteeinrichtung 110 umfassen in dieser Ausgestaltung die Komponenten der genäherten Translationsgeschwindigkeit v _CM des Fahrzeug- Schwerpunkts CM im Schwerpunktsystem 402, die zugleich als Näherungswerte für die Komponenten der Schwertpunktgeschwindigkeit v _C ^h _M im hohzontierten System herangezogen werden können.

In einer Ausgestaltung kann der Sensorclusters 102 auch im Schwerpunkt CM des Fahrzeugs 101 oder lotrecht unterhalb des Schwerpunkts CM des Fahrzeugs 101 angebracht werden. In diesem Fall können unter Vernachlässigung von Nick- und Wankbewegungen des Fahrzeugs 101 direkt die translatorischen Geschwindigkeiten gemessen werden, es müssen keine rotatorischen Komponenten mehr berücksichtigt werden.

Gleichfalls kann das Fahrzeug 101 zusätzlich zu dem Gierratensensor mit einem Wankratensensor und/oder mit einem Nickratensensor ausgerüstet werden, so dass neben der Gierrate weitere Drehraten gemessen und bei der Berechnung der Translationsgeschwindigkeit v _CM des Fahrzeugschwerpunkts CM berücksichtigt werden können. Durch eine zeitliche Integration der gemessenen Drehraten können zudem die entsprechenden Drehwinkel ermittelt und zur Bestimmung der Fahrzeuggeschwindigkeit v _C ^h _M im hohzontierten System aus der Geschwindigkeit v _CM im Schwerpunktsystem 402 verwendet werden, so dass von der Auswerteeinrichtung 110 die Komponenten der Fahrzeuggeschwindig- keit v _C ^h _M im hohzontierten System ausgegeben werden können.

In weiteren Ausführungsformen wird ebenfalls ein Sensorcluster 102 der zuvor beschriebenen Art verwendet. Zusätzlich wird eine Einrichtung vorgesehen, mit der Wank- und Nickwinkel der Fahrzeugkarosserie 105 bestimmt werden. Zur Ermittlung des Wankwinkels und des Nickwinkels können dabei insbesondere Wegsensoren an Federelementen eines Fahrwerks des Fahrzeugs 101 vorgesehen werden, welche die Fahrzeugkarosserie 105 gegenüber den Rädern 106 abstützen. Die Wegsensoren sind dabei jeweils einem Federelement zugeordnet und messen den Weg, um den die Karosserie105 an dem entsprechenden Federelement einfedert. Bei einem vierrädrigen Fahrzeug 101 werden mindes- tens drei Wegsensoren an jeweils einem Fahrzeugrad 106 vorgesehen, um die genannten Größen in einer dem Fachmann bekannten Weise zu bestimmen. Ein vierter Wegsensor ermöglicht eine redundante Ermittlung der Größen, so dass eine genauere Bestimmung möglich ist. Aus den von den Wegsensoren gemessenen Federwegen ermittelt die Auswerteeinrichtung 110, der die Mess- Signale der Wegsensoren zugeführt werden, den Wankwinkel und den Nickwinkel des Fahrzeugs 101. Ferner können in der Auswerteeinrichtung 110 durch zeitliche Ableitung des Wankwinkels und des Nickwinkels die Wankrate und die Nickrate des Fahrzeugs 101 ermittelt werden. Diese werden dann herangezogen, um aus der ermittelten Geschwindigkeit v des Sensorclusters 102 die Translationsgeschwindigkeit v _CM des Fahrzeugschwerpunkts CM unter Verwendung der Beziehung (4) zu bestimmen. Auf der Grundlage des ermittelten Wankwinkels und des ermittelten Nickwinkels kann die Fahrzeuggeschwindigkeit v _C ^h _M im horizontierten System berechnet werden. Ausgangssignale der Auswerteeinrichtung 110 stellen damit in dieser Ausgestaltung die Komponen- ten der Fahrzeuggeschwindigkeit v _C ^h _M im horizontierten System, die Drehraten des Fahrzeugs 101 sowie gegebenenfalls die Drehwinkel des Fahrzeugs 101 dar.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht die Verwendung eines schema- tisch in Figur 7 veranschaulichten Sensorclusters 701 vor, der gegenüber den zuvor beschriebenen Clustern modifiziert ist, um neben den Geschwindigkeitskomponenten in Richtung der Messlichtstrahlen 703a, b,c auch die Entfernun-

gen zu bestimmen, welche die Messlichtstrahlen 703a, b,c zwischen dem Sen- sorcluster 701 und der Fahrbahnoberfläche 104 zurücklegen. Der modifizierte Cluster 701 wird im Folgenden als Abstandscluster bezeichnet, während der zuvor beschriebene Sensorcluster 102 zur Geschwindigkeitsmessung zur Ab- grenzung von dem Abstandscluster im Folgenden als Geschwindigkeitscluster bezeichnet wird. Wie der Geschwindigkeitscluster 102 wird der Abstandscluster 701 am Unterboden der Fahrzeugkarosserie 105 montiert. Er umfasst ebenfalls drei Lasereinheiten 702a, b,c, die mit einer Auswerteeinrichtung 704 verbunden sind und Messlichtstrahlen 703a, b,c in verschiedene Richtung aussenden, wel- che an der Fahrbahnoberfläche 104 reflektiert werden. Die Lasereinheiten 703a, b, c des Abstandsclusters 701 können grundsätzlich so ausgestaltet sein, wie die Lasereinheiten 108a,bc des Geschwindigkeitsclusters. Im Unterschied zu dem Geschwindigkeitscluster 102 ist die Frequenz des von den Lasereinheiten 702a, b,c emittierten Lichts jedoch veränderbar. Die Veränderung wird dabei vorzugsweise durch eine Veränderung des durch die Laserdioden fließenden Stroms herbeigeführt, die mittels einer Steuereinrichtung 705 durchgeführt wird.

Wie bei dem Geschwindigkeitscluster 102 wird bei dem Abstandscluster 701 Licht, das von einer Lasereinheit 702i ausgesendet wird, an der Fahrbahnober- fläche 104 gestreut und teilweise zu der Lasereinheit 702i zurückreflektiert. Das zurückreflektierte Licht wird in den Resonator der entsprechenden Lasereinheit 702i zurückgekoppelt und interferiert in dem Resonator der Lasereinheit 702i mit dem dort erzeugten Licht. Dies führt zum Auftreten eines SeIf-M ixing-Effekts in dem Resonator, der zu einer Modulation der Intensität des von der Laserdio- de ausgesandten Lichts führt, die mit einer Photodiode erfasst wird. Die Modulation des Stroms der Photodiode hat dabei eine Frequenz, die der Differenz der Frequenzen des zurückreflektierten Laserlichts und des Laserlichts im Resonator entspricht, sofern diese Differenzfrequenz von der Fotodiode aufgelöst werden kann.

Um mithilfe einer Lasereinheit 702i des Abstandsclusters 701 neben der Geschwindigkeitskomponente v _Lι die Entfernung d _Lι zu bestimmen, die der zuge-

hörige Messlichtstrahl 703i zwischen der Lasereinheit 702i bzw. dem enthaltenen Resonator und der Fahrbahnoberfläche zurücklegt, wird die Frequenz des ausgesandten Laserlichts nach dem an sich bekannten FMCW-Prinzip moduliert (FMCW: Frequency Modulated Continuous Wave). Die Frequenzmodulati- on erfolgt durch eine entsprechende Veränderung des durch die Laserdiode fließenden Stroms mittels der Steuerungseinrichtung 705. In einer Ausgestaltung ist eine lineare Modulation nach einer Dreiecksfunktion vorgesehen, wie schematisch in dem Diagramm in Figur 8 anhand der durchgezogenen Linie dargestellt. In dem Diagramm ist die Frequenz / gegenüber der Zeit t aufge- tragen. Gegenüber der momentanen Frequenz des Messlichtstrahls 703i ist die Frequenz des zurückreflektierten Signals, deren zeitlicher Verlauf in dem Diagramm in Figur 8 anhand der gestrichelten Linie dargestellt ist, verschoben. Die Frequenzverschiebung δ/ = / _ä -f _τ zwischen der Frequenz f _R des reflektierten und der Frequenz f _τ des ausgesendeten Lichts umfasst einen ersten Anteil / _τ der sich aufgrund der Laufzeit des zurückreflektierten Lichts ergibt und einen zweiten Anteil f _D der auf die Dopplerverschiebung des zurückreflektierten Lichts zurückzuführen ist. Bei ansteigender Frequenz des Messlichtstrahls 703i ergibt sich die Frequenzverschiebung 5Z ₁ aus der Differenz des Doppleranteils f _D und dem ersten Anteil / _τ , so dass gilt: SA = f _D - f _τ (9)

Bei sich verringernder Frequenz ergibt sich die Frequenzverschiebung δ/ ₂ aus der Summe beider Anteile, d.h., es gilt:

Damit können beide Anteile der Frequenzverschiebung durch eine Auswertung der Differenzfrequenz während ansteigender Frequenz und abnehmender Frequenz ermittelt werden. Es gilt dabei:

/ _τ =l(# ₂ -δ/; ) (12)

Aus den Gleichungen (11 ) und (12) können mittels der Lasereinheit 702i die Geschwindigkeitskomponente v _Ll und die Entfernung d _Ll ermittelt werden. Für die Geschwindigkeitskomponente v _Ll gilt dabei

v* = -^ (13)

wobei mit λ die Wellenlänge des emittierten Laserlichts bezeichnet wird, und für die Entfernung d _Lι gilt:

d _Lι = ^{fτ ' c ' T} (14)

^ ^' J Hub wobei f _Hub den Frequenzhub bezeichnet, d.h., die Differenz zwischen dem Minimum und dem Maximum der modulierten Frequenz, und T die Periodendauer der Frequenzmodulation.

Mit dem Abstandscluster 102 können, wie zuvor beschrieben, neben den Abständen d _Lι als auch Geschwindigkeiten v _Lι bestimmt werden. Die mittels des Abstandsclusters 701 ermittelten Geschwindigkeitskomponenten v _Ll (i = a,b,c) entsprechen denjenigen, die auch mittels des Geschwindigkeitsclusters 102 bestimmt werden können. Daher kann ein einzelner Sensorcluster 701 für die Bestimmung von Geschwindigkeiten v _Lι und Abständen d _Lι eingesetzt werden.

Gleichfalls kann es jedoch vorgesehen sein, dass zur Bestimmung dieser Grö- ßen anstelle eines einzigen Sensorclusters ein Abstandscluster 701 verwendet wird, mit dem die Abstände d _Lι erfasst werden, und zur Bestimmung der Geschwindigkeiten v _Ll ein separater Geschwindigkeitscluster 102 der zuvor beschriebenen Art eingesetzt wird. Der Abstandscluster 701 und der Geschwindigkeitscluster 102 können bei dieser Ausgestaltung in einem gemeinsamen Gehäuse integriert sein. Ferner können beide Sensorcluster 701 , 102 über eine gemeinsame Auswerteeinrichtung 704 verfügen.

Die mithilfe einer Lasereinheit 702i des Abstandsclusters 701 ermittelte Entfernung entspricht dem Betrag eines Verbindungsvektors d _Lι zwischen dem Abstandscluster 701 und dem Punkt der Fahrbahnoberfläche 104, an dem der

entsprechende Messlichtstrahl 703a, b,c auftrifft. Der Verbindungsvektor ist gegeben durch d _Ll = d _Ll - n _Ll , wobei der Vektor n _Li , wie in Gleichung (2) für die Messlichtstrahlen 103a,b,c angegeben, die die Richtungen der Messlichtstrahlen 703a, b,c beschreibt. Die drei Verbindungsvektoren d _La , d _Lb und d _Lc span- nen eine Ebene auf, die der Fahrbahnebene entspricht. Somit kann die Auswerteeinrichtung 704 aus den ermittelten Abständen d _La , d _Lb und d _Lc insbesondere die Drehwinkel zwischen der xy-Ebene des Sensorkoordinatensystems 401 und der Fahrbahnebene bestimmen. Diese Drehwinkel entsprechen dem Wankwinkel und dem Nickwinkel der Fahrzeugkarosserie 105, da die Fahr- bahnebene parallel zur xy-Ebene des horizontierten Koordinatensystems ausgerichtet ist.

In einer Ausgestaltung kann zur Bestimmung der Drehwinkel beispielsweise ein Normaleneinheitsvektor der durch die Messlichtstrahlen 703a, b,c aufgespann- ten Ebene bestimmt werden. Einen solchen Normaleneinheitsvektor erhält man unter Verwendung des Vektorprodukts beispielsweise durch j _{j (1 5)} wobei mit \\\\ der Absolutbetrag bezeichnet wird. Der Normaleneinheitsvektor H entspricht einem Einheitsvektor des horizontierten Systems in z-Richtung, an- gegeben im Sensorkoordinatensystem 401. Demnach gilt: e _z = S _y {-% )S _x {-§)H (16)

In dieser Gleichung bezeichnet e _z = (θ,O,l) ^r den Einheitsvektor in z-Richtung im Sensorkoordinatensystem 401. Die Vektorgleichung (16) umfasst ein Gleichungssystem zur Bestimmung des Wankwinkels φ und des Nickwinkels θ der Fahrzeugkarosserie 105. Unter Verwendung von H = (A ₁₅ A ₂₅ A ₃ ) ergibt sich dabei als Lösung:

A φ = arctan— (17)

θ = (18)

In Gleichung (18) ist die x-Komponente von H in der physikalischen Einheit einzusetzen, in der die Normierung für H durchgeführt worden ist, die beispielsweise in Zentimetern oder Metern erfolgt sein kann.

Nachdem die Auswerteeinrichtung 704 anhand der Messsignale des Abstands- clusters 701 den Wankwinkel und den Nickwinkel des Fahrzeugs 101 bestimmt hat, werden durch zeitliche Ableitung des Wankwinkels und des Nickwinkels die Wankrate und die Nickrate des Fahrzeugs 101 berechnet. Um die Schwerpunktgeschwindigkeit im Schwerpunktsystem 402 oder im horizontierten Sys- tem zu bestimmen, ist neben der Wankrate und der Nickrate zudem die Kenntnis der Gierrate des Fahrzeugs 101 erforderlich. Diese wird in einer Ausgestaltung, die in Figur 9 schematisch anhand eines Blockdiagramms veranschaulicht wird, mittels eines Gierratensensors 901 erfasst. In einer weiteren Ausgestaltung, die in Figur 10 in einem schematischen Blockdiagramm gezeigt ist, wird zusätzlich zu dem Abstandscluster 701 ein weiterer Sensorcluster verwendet, der beabstandet von dem Abstandscluster am Unterboden der Fahrzeugkarosserie 105 angebracht wird. Bei dem zusätzlich verwendeten Sensorcluster kann es sich um einen weiteren Abstandscluster 701 b oder um einen Geschwindig- keitscluster 102 handeln. Mittels des zusätzlichen Sensorclusters wird die Ge- schwindigkeit dieses Sensorclusters ermittelt, so dass zwei Geschwindigkeiten vorliegen: die Geschwindigkeit v _La des Abstandsclusters 701 und die Geschwindigkeit v _Lb des zusätzlichen Sensorclusters. Unter Heranziehung der Wankrate und/oder der Nickrate des Fahrzeugs 101 lässt sich aus diesen beiden Gleichungen in der zuvor bereits beschriebenen Weise die Gierrate aus der Beziehung

^V i ₈ - ^V u = ⁽ O x ^ (19) berechnen, wobei mit r _ab der Verbindungsvektor vom Abstandscluster 701 zu dem zusätzlichen Sensorcluster bezeichnet wird.

Basierend auf der Wankrate, der Nickrate und der Gierrate berechnet die Auswerteeinrichtung 704 dann aus der mittels des Abstandsclusters 102 bestimm-

ten Geschwindigkeit v _La und/oder der mittels des zusätzlichen Sensorclusters ermittelten Geschwindigkeit v _Lb die Geschwindigkeit v _CM des Fahrzeugschwerpunkts CM unter Verwendung der Beziehung (4). Auf der Grundlage des mithil- fe des Abstandsclusters 701 ermittelten Wankwinkels und des ermittelten Nick- winkeis kann in einem weiteren Schritt aus der Geschwindigkeit v _CM die Fahrzeuggeschwindigkeit v _C ^h _M im horizontierten System in der Auswerteeinrichtung 704 berechnet werden. Ausgangssignale der Auswerteeinrichtung 704 stellen damit in dieser Ausgestaltung die Komponenten der Fahrzeuggeschwindigkeit v _C ^h _M im horizontierten System, die Drehraten des Fahrzeugs 101 sowie gege- benenfalls die Drehwinkel des Fahrzeugs 101 dar.

Die zuvor beschriebenen Sensorkonfigurationen haben gemeinsam, dass von der Auswerteeinrichtung 110, 704 entweder die Fahrzeuggeschwindigkeit v _C ^h _M im zentrierten System bestimmt werden kann oder die Geschwindigkeit v _CM des Fahrzeugs 101 im Schwerpunktsystem 402 ermittelt wird, die näherungsweise der Geschwindigkeit v _C ^h _M im horizontierten Koordinatensystem entspricht. Die ermittelten Geschwindigkeitskomponenten können direkt durch weitere Systeme des Fahrzeugs 101 verwendet werden, wie beispielsweise Systeme zur Fahrerinformation oder Regelsysteme, wie etwa einer Fahrdynamikregelung. Darüber hinaus sind aus den ermittelten Größen weitere fahrdynamische Größen ableitbar, die in weiteren Fahrzeugsystemen verwendet werden können. Insbesondere kann aus der Fahrzeugquergeschwindigkeit v _C ^h _{M y} durch zeitliches Ableiten die Querbeschleunigung des Fahrzeugs 101 berechnet werden, so dass kein zusätzlicher Querbeschleunigungssensor benötigt wird, der ein üblicher Bestandteil herkömmlicher Fahrdynamikregelsysteme ist. Darüber hinaus lässt sich aus der Fahrzeuglängsgeschwindigkeit v _C ^h _{M x} und der Fahrzeugquergeschwindigkeit v _C ^h _{M y} der Schwimmwinkel ß des Fahrzeugs 101 ermitteln, für den gilt:

ß ₌ arctan^^ (20)

Der Schwimmwinkel eignet sich besonders gut für die Charakterisierung des Fahrzustands, insbesondere in kritischen Fahrsituationen, und kann daher bei-

spielsweise von Fahrdynamikregelungen zur Stabilisierung des Fahrzeugs 101 herangezogen werden. Mit herkömmlicher Sensorik lässt sich der Schwimmwinkel jedoch nicht zuverlässig ermitteln, so dass die Durchführung von Fahrdynamikregelungen anhand der vorliegenden Erfindung aufgrund der Bereitstel- lung des Schwimmwinkels deutlich verbessert werden kann.

Darüber hinaus können in einigen zuvor beschriebenen Konfigurationen die Gierrate und die Wankrate sowie die Nickrate des Fahrzeugs 101 ermittelt werden. Diese Größen können ebenfalls weiteren Einrichtungen des Fahrzeugs 101 zur Verfügung gestellt werden. Beispielhaft sind dabei wiederum Fahrdynamikregelungen zu nennen, in deren Regelalgorithmen diese Größen einfließen können, oder Fahrwerksregelungen sowie weitere Fahrerassistenz- und passive Sicherheitssysteme, die beispielsweise Wank- und/oder Nickbewegungen der Fahrzeugkarosserie 105 ausregeln.

Obwohl die Erfindung in den Zeichnungen und der vorausgegangenen Darstellung im Detail beschrieben wurde, sind die Darstellungen illustrativ bzw. beispielhaft und nicht einschränkend zu verstehen; insbesondere ist die Erfindung nicht auf die erläuterten Ausführungsbeispiele beschränkt. Weitere Varianten der Erfindung und ihre Ausführung ergeben sich für den Fachmann aus der vorangegangenen Offenbarung, den Figuren und den Patentansprüchen. In den Patentansprüchen verwendete Begriffe wie "umfassen", "aufweisen", "beinhalten", "enthalten" und dergleichen schließen weitere Elemente oder Schritte nicht aus. Die Verwendung des unbestimmten Artikels schließt eine Mehrzahl nicht aus. Eine einzelne Einrichtung kann die Funktionen mehrerer in den Patentansprüchen genannten Einheiten beziehungsweise Einrichtungen ausführen. In den Patentansprüchen angegebene Bezugszeichen sind nicht als Beschränkungen der eingesetzten Mittel und Schritte anzusehen.