Verfahren und Vorrichtung zum berührungslosen Bestimmen des seitlichen Versatzes gegenüber einer Geradeausrichtung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur berührungslosen Bestimmung des seitlichen Versatzes gegenüber einer Geradeausrichtung bei Bewegung eines Objektes relativ zu einem Objekt mit stochastischer Oberflächenstruktur mit Abbilden der Oberflächenstruktur auf einen photoempfindlichen Sensor.

üblicherweise ist dazu an einem in Bewegung befindlichen Objekt ein Sensor befestigt, mit dem Messgrößen relativ zu einem anderen Objekt mit stochastischer Oberfläche ermittelt werden können. Beispielsweise kann ein in Bewegung befindliches Objekt ein Fahrzeug sein, dessen Bewegung gegenüber der Fahrbahn ermittelt wird. Oftmals ist in solchen Fällen der seitliche Versatz als Abweichung der Fahrzeugbewegung von der Geradeausfahrt zu bestimmen. Solange das Fahrzeug beispielsweise geradeaus fährt und keine Störungen auf das Fahrzeug einwirken, ist kein seitlicher Versatz festzustellen. Es ist denkbar, dass z.B. eine auf das in Geradeausbewegung befindliche Fahrzeug einwirkende seitliche Windböe das Fahrzeug seitlich versetzt.

Die Erfindung bezieht sich im Besonderen auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung des Winkels als Größe für die Abweichung der Bewegung von der Geradeausrichtung oder Sollrichtung. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung des Schräglaufwinkels.

Der Schräglaufwinkel ist in der Fahrzeugtechnik und Fahrzeugentwicklung von nicht schienengebundenen Landfahrzeugen eine wichtige Kenngröße. In der Reifenentwicklung können z.B. auf diese Weise Rückschlüsse auf die Seitenführungskräfte und das Fahrverhalten der Reifen eines Fahrzeuges gezogen werden.

Unter Schräglaufwinkel ist in diesem Fall der Winkel zwischen der Richtung, in die ein Reifen zeigt, und der Richtung, in der er sich tatsächlich auf der Fahrbahn bewegt zu verstehen. Hat demnach ein Reifen einen großen Schräglaufwinkel, ist ein starker Lenkeinschlag erforderlich, um die gewünschte Richtungsänderung zu bewirken. Je steifer der Reifenaufbau, desto geringer ist meistens der Schräglaufwinkel und desto sicherer das Fahrverhalten, jedoch meist auf Kosten des Komforts.

Ein Reifen, der geradeaus zeigt während sich das Fahrzeug gleichförmig geradeaus bewegt, hat somit einen Schräglaufwinkel von 0°; ein Reifen, der um 5° nach links zeigt während sich das Fahrzeug beispielsweise wegen Aquaplaning weiterhin geradeaus bewegt, weist einen Schräglaufwinkel von 5° auf.

Mit Hilfe der gleichzeitigen Messung des Schräglaufwinkels an Vorder- und Hinterrädern kann auf den sogenannten Schwimmwinkel, also die Drehung des gesamten Fahrzeugs gegen die Bewegungsrichtung, geschlossen werden.

Aus DE 40 30 653 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung des Schräglaufwinkels eines gebremsten Fahrzeuges bekannt. Bei dem dort beschriebenen Verfahren, wird ausgehend von einem vereinfachten Fahrzeugmodell und unter Verwendung der Radgeschwindigkeit, des Lenkwinkels, der Giergeschwindigkeit und des Hauptbremszylinderdrucks als Messgrößen der Schräglaufwinkel als Schätzgröße ermittelt. Das Verfahren erfordert demnach eine Vielzahl

von zusätzlich zu ermittelnden oder bekannten Messgrößen. Es handelt sich nicht um eine Messung, sondern um eine Schätzung des Schräglaufwinkels.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur berührungslosen Bestimmung des seitlichen Versatzes gegenüber einer Geradeausrichtung bei Bewegung eines Objektes relativ zu einem Objekt mit stochastischer Oberflächenstruktur, insbesondere zur hochauflösenden Bestimmung des Schräglaufwinkels zu schaffen. Eine weitere Aufgabe bestand darin, eine Vorrichtung zu realisieren, mit der der seitliche Versatz mit hoher Genauigkeit, auch bei niedrigen Geschwindigkeiten ermittelt werden kann, die kompakt und leicht aufgebaut ist, wenig störanfällige Bauteile aufweist und die abstandsunabhängig mit gleichbleibender Genauigkeit Messergebnisse zur Bestimmung des Schräglaufwinkels liefert. Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 und bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Merkmalen der jeweiligen Unteransprüche.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung zeichnen sich dadurch aus, dass der seitliche Versatz gegenüber einer vorbestimmten Geradeausrichtung bei Bewegung eines Objektes relativ zu einem anderen Objekt mit stochastischer Oberflächenstruktur dadurch ermittelt wird, dass die Oberflächenstruktur auf einen photoempfindlichen Sensor, der sich in der Bildebene einer Optik befindet, abgebildet wird. Der photoempfindliche Sensor wird aus mindestens zwei in Geradeausrichtung hintereinander in definiertem Abstand zueinander angeordneten gleichen Sensorelementen gebildet.

Durch weitere in gleicher Weise hinter dem zweiten Sensorelement angeordnete Sensorelemente kann die Genauigkeit bei der Bestimmung des seitlichen Versatzes erhöht werden. Die Sensorelemente weisen eine ortsauflösende Längserstreckung quer zur Geradeausrichtung auf und erzeugen ein der Oberflächenstruktur entsprechendes Ortsfrequenz-Signal, welches mit einer Elektronikeinheit ausgelesen wird. Das Ortsfrequenz-Signal eines in Bewegungsrichtung zweiten Sensorelementes wird derart zeitlich verschoben zum Ortsfrequenz-Signal des ersten Sensorelementes ausgelesen, dass auf beide Sensorelemente dieselbe, zumindest ausschnittsweise übereinstimmende Oberflächenstruktur abgebildet wird. Zur Ermittlung eines Korrelationskoeffizienten werden in einer Recheneinheit die Ortsfrequenz-Signale des ersten und des zweiten Sensorelementes miteinander korreliert. Die Größe des seitlichen Versatzes der korrelierten Ortsfrequenz-Signale zueinander auf den ortsauflösenden Sensorelementen wird mit Hilfe des in der Recheneinheit erzeugten Korrelationskoeffizienten bestimmt. Selbstverständlich können anstelle von mindestens zwei diskreten, also einzelnen Sensorelementen auch spezielle, z.B. Photodiodenchips verwendet werden, die mehrere Sensorelemente mit einer ortsauflösenden Längserstreckung quer zur Geradeausrichtung in Fahrtrichtung hintereinander auf einem Träger aufweisen. In diesem Fall ist der Abstand der einzelnen Sensorelemente mit hoher Genauigkeit reproduzierbar und muss nicht, wie bei der Fertigung aus Einzelelementen, aufwändig messtechnisch ermittelt und gegebenenfalls kalibriert werden.

In vorteilhafter Weise wird zusätzlich die Bewegungsgeschwindigkeit bestimmt und in Abhängigkeit davon die Zeitverschiebung zwischen dem Auslesen des ersten und eines zweiten Sensorelementes festgelegt. Je genauer die Bewegungsgeschwindigkeit v in

Geradeausrichtung und damit senkrecht zur Längserstreckung der Sensorelemente ermittelt wird, desto genauer kann die optimale Zeitverschiebung t als Funktion des definierten Abstandes s _a zwischen dem ersten und einem zweiten Sensorelement festgelegt werden (t=s _a /v).

Eine weitere Möglichkeit zur Verbesserung der Genauigkeit besteht darin, dass mehrere der n zweiten Sensorelemente nacheinander mit Zeitverschiebungen n x t ausgelesen, alle auf diese Weise ermittelten zweiten Ortsfrequenz-Signale jeweils mit dem ersten Ortsfrequenz- Signal korreliert werden und daraus ein optimaler

Korrelationskoeffizient zur Bestimmung des seitlichen Versatzes auf den ortsauflösenden Sensorelementen berechnet wird. Als idealer Korrelationskoeffizient wird beispielsweise der Zahlenwert 1 als Maximum angenommen, so dass ein optimaler Korrelationskoeffizient definitionsgemäß dem Zahlenwert 1 möglichst nahe kommen soll.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird zu der mit Hilfe der Bewegungsgeschwindigkeit bestimmten Zeitverschiebung ein Zeitbereich definiert, in dem ein zweites Sensorelement mehrfach ausgelesen wird. Anschließend werden alle zweiten Ortsfrequenz- Signale jeweils mit dem ersten Ortsfrequenz-Signal korreliert und daraus ein gemittelter Korrelationskoeffizient berechnet. Auf diese Weise kann besonders im Bereich langsamer Relativgeschwindigkeiten eine eventuell auftretende Ungenauigkeit bei der Bestimmung der Bewegungsgeschwindigkeit ausgeglichen und eine höhere Genauigkeit bei der Ermittlung des Korrelationskoeffizienten erzielt werden.

Werden als ortsauflösende Sensorelemente Photodiodenzeilen mit zur Geradeausrichtung parallelen streifenförmigen Photodiodenelementen (nj) mit einer Streifenbreite b gewählt, kann die Berechung des Korrelationskoeffizienten mit besonders geringem Rechenaufwand

durchgeführt werden. In diesem Fall werden die Korrelationskoeffizienten (r(i)) nach der Vorschrift

bestimmt, wobei r(i): die Korrelationskoeffizienten als Funktion von i n: die Anzahl der Photodiodenelemente i: der Index (1...n)

XJ: das Photodiodensignal der ersten Zeile x : der Mittelwert aller Photodiodensignale der ersten Zeile VJ: das Photodiodensignal der zweiten Zeile und y : der Mittelwert aller Photodiodensignale der zweiten Zeile ist.

Auf diese Weise kann der seitliche Versatz dadurch bestimmt werden, dass der Indexwert i _max ermittelt wird, bei dem die Funktion des

Korrelationskoeffizienten ein Maximum (MAX [r(i)] ) aufweist. Der Betrag des seitlichen Versatzes S _b ist dann besonders einfach aus der bekannten Streifenbreite b der streifenförmigen Photoelemente, multipliziert mit dem Indexwert i _max zu berechnen.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird ein Winkel α aus der geometrischen Beziehung zwischen Abstand s _a der ausgelesenen Sensorelemente in Geradeausrichtung und dem Betrag des seitlichen Versatzes s _b mit α = arctan s _b /s _a berechnet.

Eine Verbesserung der Signalqualität der von den Photodiodenzeilen erzeugten Ortsfrequenz-Signale wird erreicht, indem die Belichtungszeit der Sensorelemente an die Bewegungsgeschwindigkeit des Sensors gegenüber der Oberflächenstruktur angepasst wird. Die Belichtungszeit

wird in diesem Fall als die Zeit verstanden, in der das Photodiodensignal im Sensorelement aufgebaut, d.h. aufintegriert wird. Um einer Glättung der Ortsfrequenz-Signale entgegenzuwirken, ist bei schnellen Geschwindigkeiten eine kürzere Belichtungszeit zu wählen, während bei langsamen Geschwindigkeiten eine längere

Belichtungszeit erlaubt ist. Um genügend Lichtenergie auf den Sensorelementen zu erhalten, ist es insbesondere bei hohen Geschwindigkeiten und kurzen Belichtungszeiten für die Photodiodenzeilen von Vorteil, wenn die abzubildende Oberflächenstruktur mit einer Beleuchtungseinrichtung zusätzlich beleuchtet wird.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Zeitverschiebung zwischen dem Auslesen der ersten und zweiten Sensorelemente unter Berücksichtigung des Abbildungsmaßstabes der Optik derart gewählt, dass auf die Sensorelemente in Bewegungsrichtung übereinstimmende Ausschnitte der Oberflächenstruktur abgebildet werden. Bei vorgegebenem Abstand s _a der Sensorelemente zueinander und einem Abbildungsmaßstab A der Optik ist die Zeitverschiebung daher als Quotient aus dem Abstand s _a und der mit dem Abbildungsmaßstab A multiplizierten Geschwindigkeit v zu bilden. (t=s _a /A-v)

Je genauer die Zeitverschiebung ermittelt wird, desto besser lässt sich der Korrelationskoeffizient bestimmen. Abweichung sind in einem gewissen Bereich tolerierbar, jedoch sollte sich der Ausschnitt der auf das erste Sensorelement abgebildeten Oberflächenstruktur höchstens um den Betrag der Höhe eines Photodiodenelements (Pixel) auf einem der zweiten Photodiodenelemente verschoben haben, da ansonsten die Korrelation nicht mehr zuverlässig durchgeführt werden kann. Auf diese

Weise ist sichergestellt, dass die beiden ermittelten Ortsfrequenz- Signale miteinander korrelierbar sind.

Um eine Veränderung des Abbildungsmaßstabes der Optik aufgrund einer Abstandsveränderung zwischen Sensorvorrichtung und der abzubildenden Oberflächenstruktur zu vermeiden, ist die Optik erfindungsgemäß für eine telezentrische Abbildung der Oberflächenstruktur ausgelegt. Auf diese Weise ist ein großer Arbeitsabstandsbereich realisierbar. Durch gezielte Veränderung des Abbildungsmaßstabes der Optik ist das Sensorsystem insbesondere an die Geometrie (Abstand und Breite der Pixel) der streifenförmigen Photodiodenelemente und an unterschiedliche Beschaffenheiten der stochastischen Oberflächenstruktur anpassbar, um gut auswertbare Ortsfrequenz-Signale zu erhalten.

Wird erfindungsgemäß zusätzlich ein Abstandssensor vorgesehen, kann unter Berücksichtigung eines sich verändernden

Abbildungsmaßstabes z.B. beim überschreiten des telezentrischen Arbeitsabstandsbereichs der sich dann ergebende veränderte Abbildungsmaßstab berücksichtigt werden und der Arbeitsabstandsbereich vergrößert werden. Auf diese Weise kann jedoch auch unter Verzicht auf die telezentrische Eigenschaft der Optik anhand des gemessenen Abstandes die bekannte abstandsabhängige Veränderung des Abbildungsmaßstabes berücksichtigt werden. Oftmals geht mit der Verwendung einer telezentrischen Optik aufgrund verwendeter Lochblenden Lichtenergie verloren. Wird diese Energie jedoch zur Signalerzeugung benötigt, kann bei Verwendung des Abstandssensors auf die Optik für eine telezentrische Abbildung der Oberflächenstruktur verzichtet werden. Der auf diese Weise gebildete Sensor ist ebenfalls in der Lage, nahezu abstandsunabhängige Messergebnisse zu liefern.

In einer weiteren Ausgestaltung der Vorrichtung ist zusätzlich ein Geschwindigkeitssensor zum Bestimmen der Relativgeschwindigkeit in Geradeausrichtung, also senkrecht zur Längsausstreckung der Sensorelemente, vorgesehen. Insbesondere berührungslos arbeitende Geschwindigkeitssensoren, die den absoluten Betrag der

Geschwindigkeit des Sensors senkrecht zur Längsausstreckung der Sensorelemente und damit unabhängig vom Bewegungswinkel liefern sind geeignet, um die optimale Zeitverschiebung zwischen dem Auslesen des ersten und eines zweiten Sensorelements zu ermitteln. Es hat sich gezeigt, dass in einer besonders einfachen

Ausführungsform der Vorrichtung das Sensorelement aus zwei Photodiodenzeilen mit zur Geradeausrichtung parallelen streifenförmigen Photodiodenelementen (Pixel) gebildet werden kann und die Ortsfrequenz-Signale eine überraschend hohe Qualität aufweisen. Auf diese Weise sind mit standardisierten

Photodiodenzeilen kompakt bauende und kostengünstig herstellbare Sensoren realisierbar.

Eine Diodenzeile mit beispielsweise 512 Pixeln, die jeweils eine Breite von ca. 12 μm haben und eine Pixelhöhe von 250 μm aufweisen, ist geeignet, um in der zuvor beschriebenen Sensorvorrichtung eingesetzt zu werden. In diesem Fall hat sich in überraschender weise gezeigt, dass bei einer übereinstimmenden Abbildung der Oberflächenstruktur auf nur 100 Pixeln der zweiten Diodenzeile bereits eine erfolgreiche Korrelation durchgeführt werden kann. Die Korrelierbarkeit der Ortsfrequenz-Signale der beiden Diodenzeilen bestimmt den maximal ermittelbaren seitlichen Versatz. Im Hinblick auf die Berechnung und Auflösungsgenauigkeit des Winkels, bzw. Schräglaufwinkels bedeutet das, dass die Auflösung vom Abstand s _a der Sensorelemente zueinander abhängt. Je weiter die Diodenzeilen auseinander liegen,

desto größer wird demnach das Auflösungsvermögen, desto kleiner jedoch auch der maximal bestimmbare Winkel. Durch eine Verwendung längerer Diodenzeilen kann der maximal bestimmbare Winkel vergrößert werden. Die maximale Länge der verwendbaren Diodenzeilen wird durch das Bildfeld der Abbildungsoptik begrenzt.

Da die optimale Zeitverschiebung zwischen dem Auslesen des ersten und eines zweiten Sensorelements von der Geschwindigkeit und dem Abbildungsmaßstab der Optik abhängt und bei hohen Geschwindigkeiten immer kürzer wird, muss die Auslesefrequenz der Diodenzeile entweder an die Zeitverschiebung dynamisch anpassbar sein oder derart hoch gewählt sein, dass während der kürzest möglichen Zeitverschiebung (Maximalgeschwindigkeit) die Diodenzeile noch vollständig auslesbar ist.

Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird nachfolgend anhand der Figuren näher beschrieben. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine vereinfachte perspektivische Darstellung der Sensorvorrichtung Fig. 2 die geometrische Anordnung der Sensorelemente

In Figur 1 ist eine Sensorvorrichtung 1 in einer vereinfachten perspektivischen Darstellung gezeigt. Die Bewegung in Geradeausrichtung 2 gegenüber einem Objekt mit stochastischer Oberfläche ist durch einen Pfeil dargestellt. Ein Bereich der abzubildenden Oberflächenstruktur 3 wird durch eine Optik 4, die durch eine Linse angedeutet ist, auf eine Sensoranordnung 5 abgebildet. Durch eine Beleuchtungseinrichtung 6 wird der Bereich der abzubildenden Oberflächenstruktur 3 schräg beleuchtet, um eine Art

Dunkelfeldbeleuchtung zur Verbesserung des Kontrastes zu erzielen. Die Sensoranordnung 5 besteht aus einer ersten Photodiodenzeile 7 und einer dazu im Abstand a zweiten Photodiodenzeilen 8. In der Längserstreckung weisen die Photodiodenzeilen 7, 8 n streifenförmige Pixel 9 auf. Zum gesteuerten Auslesen der Photodiodenzeilen 7, 8 ist eine Elektronikeinheit 10 vorgesehen. Die Elektronikeinheit 10 verarbeitet ebenfalls die Signale eines schematisch dargestellten Geschwindigkeitssensors 11 und eines optional vorgesehenen Abstandssensors 12. Die von der Elektronikeinheit 10 verarbeiteten Signale werden zur Korrelation einer Recheneinheit 16 zugeführt. Die gesamte Sensorvorrichtung 1 ist in einem nicht weiter dargestellten Gehäuse angeordnet.

Fig. 2 zeigt die geometrische Anordnung der Photodiodenzeilen 7, 8 mit ihrem Abstand a. Die Darstellung der Geradeausrichtung erfolgt durch den Pfeil 2. Auf der ersten Diodenzeile 7 ist ein Punkt 13 dargestellt, der als Punkt 14 den seitlichen Versatz 15 des Ortsfrequenz-Signals auf der zweiten Photodiodenzeile 8 verdeutlichen soll. Durch die geometrische Beziehung zwischen Abstand a und seitlichem Versatz 15, der sich aus der Multiplikation der Pixelbreite b mit der Anzahl der Pixel des seitlichen Versatzes ergibt, ist der Schräglaufwinkel α bestimmbar.

Bezugszeichenliste

1 Sensorvorrichtung

2 Geradeausrichtung

3 Bereich der abzubildenden Oberflächenstruktur

4 Optik

5 Sensoranordnung

6 Beleuchtungseinrichtung

7 erste Photodiodenzeile

8 zweite Photodiodenzeile

9 Pixel

10 Elektronikeinheit

11 Geschwindigkeitssensor

12 Abstandssensor

13 erster Punkt

14 zweiter Punkt

15 seitlicher Versatz

16 Recheneinheit a Abstand b Pixelbreite α Schräglaufwinkel