DE4307408A1 - Laser-Leiteinrichtung - Google Patents
Laser-LeiteinrichtungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft das Gebiet der Laser-Leiteinrichtun
gen; insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Einrich
tung zum Erfassen der Distanz zwischen einem Fahrzeug und einer
Fahrbahnmarkierung.
Verkehrsunfälle verursachen jedes Jahr in den Vereinigten
Staaten tausende von Toten und Verletzten. Sehr oft sind diese
Unfälle darauf zurückzuführen, daß der Fahrer während der Fahrt
unaufmerksam oder konfus wird. Zahlreiche weitere Unfälle tre
ten auf, weil der Fahrer ermüdet.
Demzufolge beschäftigen sich Erfinder und Industrie seit
langem damit, eine Einrichtung zu schaffen, die automatisch die
Distanz zwischen einem sich bewegenden Fahrzeug und einer Fahr
bahnmarkierung berechnen kann. Als Fahrbahnmarkierung dienen
typischerweise die bereits existierenden Farbstreifen, die die
Fahrspureinteilungen auf Straßen und Autobahnen bilden. Die
Leiteinrichtung könnte ggf. so ausgebildet sein, daß sie einen
Fahrer bei der Steuerung und Kontrolle des Fahrzeugs unter
stützt, um die Wahrscheinlichkeit von Unfällen und Kollisionen
zu reduzieren.
Es sind viele Einrichtungen bekannt, die auf das Problem
der Fahrzeugkontrolle und automatischen Steuerung gerichtet
sind. Die meisten dieser Verfahren haben den schwerwiegenden
Nachteil, daß sie spezielle Konstruktionen und Modifikationen
an bereits vorhandenen Fahrbahnen erfordern. Beispielsweise be
schreibt das US-Patent Nr. 2 750 583 ein System, das eine Leit
linie bzw. eine Spur radioaktiven Materials erfordert, das auf
die Fahrbahn aufgebracht wird. Der Widerstand der Öffentlich
keit und des Umweltschutz es gegen ein Aufbringen von radioakti
vem Material auf öffentliche Straßen würde die Verwendung eines
solchen Systems ausschließen.
Generell können die bekannten Einrichtungen nicht auf be
reits existierenden Fahrzeugen befestigt und in Verbindung mit
vorhandenen Straßen verwendet werden. Die durch die bekannten
Einrichtungen erforderlichen Modifikationen sind ganz offen
sichtlich nicht wünschenswert, da die Kosten ihrer Implementie
rung in sämtlichen bereits vorhandenen Straßen unakzeptabel
hoch wären.
Die Erfindung überwindet die Begrenzungen der bekannten
Einrichtungen, indem sie eine Leiteinrichtung auf Laserbasis
schafft, die in Verbindung mit vorhandenen Straßenkonstruktio
nen gut funktioniert. Es ist nicht notwendig, spezielle Einhei
ten zu bauen oder spezielle Kabel zu verlegen, damit die Leit
einrichtung arbeiten kann.
Die Erfindung schafft eine Laser-Leiteinrichtung, welche
eine Lasererzeugungseinrichtung zum Erzeugen und Aussenden ei
nes Laserstrahls enthält. Es ist ein Spiegel vorgesehen, der
den Laserstrahl ablenkt und eine Fahrbahnoberfläche überstrei
chen läßt. Der Spiegel empfängt außerdem eine von der Fahr
bahnoberfläche zurückkommende Reflexion des Laserstrahls und
richtet sie auf einen Empfänger. Mit dem Spiegel ist ein Takt
geber gekoppelt, der ein erstes Zeitgabesignal erzeugt, wenn
der Laserstrahl mit dem Überstreichen der Fahrbahnoberfläche
beginnt. Der Empfänger erzeugt ein zweites Zeitgabesignal, wenn
der reflektierte Laserstrahl auf ihn auftrifft. Ein Prozessor
ist mit dem Empfänger und dem Taktgeber gekoppelt. Der Prozes
sor vergleicht das erste Zeitgabesignal mit dem zweiten Zeitga
besignal und verwendet die Ergebnisse des Vergleichs, um die
Distanz zwischen dem Fahrzeug und der Fahrbahnmarkierung zu be
rechnen. Diese Information kann verwendet werden, um die Rich
tung und Lenkung des Fahrzeugs zu steuern und somit Unfälle und
Kollisionen zu vermeiden.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung
dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Zeich
nung zeigt in:
Fig. 1 in schematischer Ansicht eine auf einem Automo
bil montierte Leiteinrichtung und einen mit der
Fahrbahnoberfläche in Wechselwirkung tretenden
Laserstrahl;
Fig. 2 ein bevorzugtes Ausführungsbespiel eines opti
schen Elements der Leiteinrichtung;
Fig. 3 ein Blockschaltbild der elektrischen Komponenten
der Leiteinrichtung;
Fig. 4 ein alternatives Ausführungsbeispiel des opti
schen Elements der Leiteinrichtung;
Fig. 5 ein Zeitdiagramm, das die Beziehungen zwischen
den in der Erfindung verwendeten Zeitgabesigna
len zeigt;
Fig. 6 eine Rasteranzeige eines Oszilloskops, das mit
dem Ausgang des Fotodetektors des bevorzugten
Ausführungsbeispiels verbunden ist; und
Fig. 7 eine Rasteranzeige eines Oszilloskops, das mit
dem Ausgang des Fotodetektors des alternativen
Ausführungsbeispiels des optischen Systems ver
bunden ist.
Es wird eine neuartige Laser-Leiteinrichtung beschrieben,
die beim Schlangenlinienfahren warnt und die Steuerung von
Fahrzeugen unterstützt. In der folgenden Beschreibung werden
zum Zweck der Verdeutlichung spezielle Konstruktionsdetails,
Anordnungen und Komponenten beschrieben, um ein besseres Ver
ständnis der Erfindung zu erreichen. Für den Fachmann ist es
jedoch klar, daß die Erfindung auch ohne diese speziellen De
tails ausgeführt werden kann. An anderen Stellen werden be
kannte Komponenten und Strukturen nicht im Detail beschrieben,
um das Verständnis der Erfindung nicht unnötig zu erschweren.
In Fig. 1 ist schematisch dargestellt, wie die Laser-Leit
einrichtung 10 auf einem Automobil 12 montiert ist. Die Leit
einrichtung 10 ist an einer beliebigen geeigneten Stelle des
Automobils montiert. Fig. 1 zeigt eine auf der vorderen Stoß
stange des Automobils 12 angeordnete Leiteinrichtung 10. Die
Leiteinrichtung kann auch an anderen Stellen montiert sein.
Beispielsweise kann sie an der Seite des Automobils 12 montiert
sein. Verschiedene alternative Montageplätze sind in Fig. 1
durch das Bezugszeichen 11 veranschaulicht. Es ist klar, daß
dies nicht die einzigen alternativen Stellen sind, an denen die
Leiteinrichtung montiert werden kann. Der Montagepunkt ist so
ausgewählt, daß der durch die Leiteinrichtung 10 erzeugte La
serstrahl leicht und ohne weiteres über die Oberfläche der
Fahrbahn 14 hinwegstreichen kann. Die gestrichelte Linie in
Fig. 1 veranschaulicht die Spur des Laserstrahls über die Fahr
bahnoberfläche. Der exakte Montagepunkt der Leiteinrichtung va
riiert in Abhängigkeit von verschiedenen Faktoren, wie etwa der
Fahrzeugkonstruktion, den zu erwartenden Fahrbahnbedingungen
und dergleichen, was dem Fachmann ohne weiteres klar ist.
Obwohl im folgenden die Fahrbahnoberfläche mit darauf ange
ordneten Fahrbahnmarkierungen beschrieben wird, ist es klar,
daß die Fahrbahn und die Fahrbahnmarkierungen selbst kein Be
standteil der erfindungsgemäßen Einrichtung sind. Die Beschrei
bung dieser zusätzlichen Einzelheiten dient einzig zum besseren
Verständnis der Erfindung. Die erfindungsgemäße Einrichtung
selbst besteht aus der beschriebenen Laser-Leiteinrichtung.
Wie bereits gesagt, richtet sich die Erfindung u. a. darauf,
die Distanz zwischen dem Automobil 12 und den auf der Oberflä
che der Fahrbahn 14 vorhandenen Fahrbahnmarkierungen 16 zu mes
sen. Die Fahrbahnmarkierungen 16 können eine Vielzahl von For
men annehmen. Diese schließen Farbstreifen, runde reflektie
rende Markierungen (bekannt als "Botts Dots") und quadratische
keramische Blockreflektoren ein. In der vorliegenden Beschrei
bung werden sämtliche Fahrbahnmarkierungen mit dem allgemeinen
Bezugszeichen 16 bezeichnet.
Die Erfindung bedient sich mit Vorteil des Umstandes, daß
in der Farbe für die Fahrbahnstreifen eine große Anzahl kugel
förmiger Glasperlen eingebettet ist, die als Rückstrahler bzw.
Reflektoren wirken. Die Perlen werden auf die Farbe gesprüht,
während diese feucht ist, wodurch gesichert wird, daß die Per
len dauerhaft befestigt sind. Diese Mischung aus Farbe und
Glasperlen wird heutzutage in den gesamten Vereinigten Staaten
gewöhnlich auf Straßen und Autobahnen verwendet. Die Perlen er
zeugen ein viel größeres reflektiertes Signal, als die sie um
gebende, nicht angestrichene Oberfläche der Fahrbahn. Wenn der
Laserstrahl die Farbstreifen beleuchtet, veranlassen die Glas
perlen, daß ein großer Teil des Laserlichts reflektiert wird.
Im Ergebnis ist das Licht, das zur Leiteinrichtung zurückkehrt,
viel leichter zu erfassen.
Obwohl die Erfindung Vorteil aus dem oben beschriebenen
Merkmal der Farbe zieht, ist es für den Fachmann jedoch klar,
daß die Fahrbahnmarkierungen diese eingebetteten Glasperlen
nicht unbedingt aufweisen müssen, um die Leiteinrichtung zu be
treiben. Es können geeignete Verstärker und Filter verwendet
werden, um das reflektierte Lasersignal von einer Vielzahl von
Fahrbahnmarkierungen zu empfangen.
Fig. 2 zeigt eine schematische Ansicht des bevorzugten Aus
führungsbeispiels des optischen Elements der Leiteinrichtung
10. Eine Laserlichtquelle 20 ist vorgesehen, um den Laserstrahl
22 zu erzeugen und auszusenden. Im bevorzugten Ausführungsbei
spiel ist die Laserlichtquelle 20 eine Festkörperlaserdiode.
Die Laserdiode wird für die Erzeugung des Laserstrahls bevor
zugt ausgewählt, da sie eine geringe Größe, eine lange Lebens
dauer und relativ geringe Kosten aufweist. Laserdioden haben
darüberhinaus einen geringen Energieverbrauch und können den
Umgebungsbedingungen am Fahrzeug standhalten. Für den Fachmann
ist es jedoch klar, daß zum Erzeugen des Laserstrahls alterna
tive Mittel mit gleicher Effektivität verwendet werden können.
Unabhängig von der Art der verwendeten Laserlichtquelle wird
diese so ausgewählt, daß sie einen ausreichenden Leistungspegel
aufweist. Dies ist erforderlich, weil die Fahrbahnmarkierungen
(besonders die Farblinien) nicht immer in gutem Zustand sind
und es für den reflektierten Laserstrahl wünschenswert ist, daß
dieser ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis unter einer Vielzahl
von Fahrbahnbedingungen hat.
Nachdem der Laserstrahl 22 erzeugt wurde, wird er durch
eine Kollimationslinse 24 geleitet. Die Kollimationslinse 24
richtet den Strahl parallel aus und richtet ihn auf einen Poly
gonspiegel 26. Der Spiegel 26 ist so montiert und ausgerichtet,
daß er den Laserstrahl auf die Fahrbahn reflektiert. Der Spie
gel 26 ist an einem Motor (nicht in Fig. 2 gezeigt) befestigt
und rotiert mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit, um den La
serstrahl wiederholt auszulenken und über die Fahrbahnoberflä
che "hinwegstreichen" zu lassen. Im bevorzugten Ausführungsbei
spiel hat der Spiegel die Form eines Pentagons. Es ist klar,
daß Spiegel mit einer differierenden Anzahl von Seiten eben
falls zum Auslenken des Laserstrahls verwendet werden können.
Darüberhinaus können anstelle eines Spiegels auch andere Mittel
verwendet werden, um den Laserstrahl über die Fahrbahnoberflä
che hinwegstreichen zu lassen. Beispielsweise kann ein akusto
optischer Modulator (AOM) verwendet werden.
Der Laserstrahl wird auf die Fahrbahnoberfläche 14 gerich
tet. In Fig. 2 ist der einfallende Laserstrahl durch die ge
strichelte Linie dargestellt, wobei er das Bezugszeichen 22
trägt. Der Laserstrahl streicht rasterartig über einen Ab
schnitt der Fahrbahnoberfläche 14. Die Begrenzungen des Aus
lenk- bzw. Rasterbereichs sind in Fig. 2 mit durchgezogenen
Doppellinien dargestellt und tragen das Bezugszeichen 28. Wenn
innerhalb des Auslenkbereichs eine Fahrbahnmarkierung 16 vor
handen ist, so wird das Laserlicht zum Spiegel 26 zurückreflek
tiert. Der reflektierte Laserstrahl ist in Fig. 2 durch eine
durchgezogene Linie dargestellt und trägt das Bezugszeichen 29.
Der reflektierte Strahl 28 wird vom Spiegel auf einem Empfänger
30 gerichtet. Die Verwendung des gleichen Spiegels zum Aussen
den und Empfangen des Laserlichts vereinfacht die Ausrichtung
des optischen Systems bedeutend und führt zu einer entsprechen
den Erhöhung der Zuverlässigkeit. Ein einziger Spiegel bewirkt
außerdem ein erhöhtes Signal-Rausch-Verhältnis für den reflek
tierten Strahl und einen größeren Auslenkbereich. Für den Fach
mann ist es jedoch klar, daß ein separater Empfangsspiegel ver
wendet werden kann, um das reflektierte Licht zu empfangen.
Es können geeignete Filter und Linsen zwischen dem Spiegel
26 und dem Empfänger 30 angeordnet sein. Im bevorzugten Ausfüh
rungsbeispiel (Fig. 2) werden eine Fokussierlinse 34 und ein
Filter 36 verwendet. Für den Fachmann ist es klar, daß diese
Komponenten in Abhängigkeit von den Umständen geändert oder
entfernt werden können. Es ist zu erwarten, daß man für ver
schiedene Leiteinrichtungen Laser mit verschiedenen Frequenzen
einsetzen wird. Dann können Filter verwendet werden, die nur
die bestimmte, der gegebenen Leiteinrichtung zugeordnete Wel
lenlänge des Laserlichts durchlassen. Dies minimiert die Wahr
scheinlichkeit von Interferenzen oder eines Übersprechens zwi
schen Leiteinrichtungen auf benachbarten Fahrzeugen.
Im bevorzugten Ausführungsbeispiel erzeugt die Laserlicht
quelle 20 keinen kontinuierlichen Laserstrahl. Der Laserstrahl
wird bei einer hohen Frequenz gepulst, indem die Laserdiode
ein- und ausgeschaltet wird. Laserdioden können bei Frequenzen
bis zu einigen 100 MHz gepulst werden. Die Laserenergie pro Im
puls ist höher, als diejenige beim Betrieb in einem kontinuier
lichen Modus. Dies hat erfindungsgemäß zwei Vorteile. Erstens
ist die Stärke des Signals, das ggf. den Empfänger erreicht,
größer. Zweitens kann der Empfänger mit dem Laser synchroni
siert werden, um andere Signale zu blockieren. Es ist möglich,
Leiteinrichtungen auf verschiedenen Fahrzeugen bei unterschied
lichen Laserimpulsraten zu betreiben, um so die Wahrscheinlich
keit von Interferenzen zwischen den Leiteinrichtungen auf be
nachbarten Fahrzeugen zu minimieren. Für den Fachmann ist es
jedoch klar, daß die Pulsierung nicht absolut notwendig ist und
ein alternatives Ausführungsbeispiel ebenso in einem kontinu
ierlichen Wellenmodus betrieben werden kann.
Der Empfänger 30 ist ein Fotodetektor, der ein elektrisches
Signal erzeugt, wenn er durch den reflektierten Laserstrahl 28
beleuchtet wird. Festkörperdetektoren, wie beispielsweise PIN-
Dioden, Avalanche-Fotodioden (APDs) und Arrays ladungsgekoppel
ter Bauelemente (CCD-Arrays) sind ideal für Laserdioden ge
eignet. Solche Bauelemente haben eine sehr hohe Quantenausbeute
bei Laserwellenlänge. Sie sind außerdem klein und robust und
erfordern nur einen sehr geringen elektrischen Strompegel für
den Betrieb. Die genaue Art des Bauelements, das für den Emp
fänger 30 verwendet wird, variiert entsprechend dem optischen
Schema, das für die Leiteinrichtung 10 verwendet wird, ist aber
dem Fachmann ohne weiteres klar.
Wenn der Laserstrahl über die Oberfläche der Fahrbahn 14
rastert, muß mit Sorgfalt sichergestellt werden, daß die Ab
tastrate zur Erfassung der Fahrbahnmarkierungen 16 ausreicht.
Um die auf heutigen Autobahnen normalen Geschwindigkeitsberei
che der Fahrzeuge abzudecken, erwies sich eine nur gemäßigte
Abtastfrequenz als ausreichend. In Längsrichtung der Fahrzeug
bewegung muß die Abtastrate ausreichen, um die kleinste Fahr
bahnmarkierung bei der schnellsten zu erwartenden Fahrgeschwin
digkeit zu erfassen. Der wichtigste Fall (bei Vernachlässigung
stark verschlechterter Farblinien) ist die zuverlässige Erfas
sung des vorspringenden, erhabenen Typs von Fahrbahnmarkierun
gen 16, wie beispielsweise der "Botts Dots" und der quadrati
schen reflektierenden Blöcke. Die minimale Standardgröße in
Längsrichtung für solche Markierungen beträgt ungefähr 10 cm.
Folglich kann bei einer Geschwindigkeit von 30 m/s (oder 110
km/h) die minimale Abtastfrequenz (bezeichnet als Fmin) berech
net werden als:
Fmin = (30 m/s)/10 cm = 300 Hz.
Im bevorzugten Ausführungsbeispiel arbeitet die Rastereinrich
tung bei einer Rate von ungefähr 1 kHz, so daß zumindest drei
Überstreichungen über jede Markierung verwirklich werden.
Wenn ein gepulster Laserstrahl verwendet wird, muß außerdem
sichergestellt sein, daß die Pulsfrequenz so ausgewählt wird,
daß die Position des Laserstrahls ausreichend oft abgetastet
wird. Bei gegebener Längsabtastrate kann die minimale Pulsfre
quenz aus den Fahrbahncharakteristiken berechnet werden. Die
gegenwärtige Standardfahrspurbreite variiert von ca. 3 m-3,7
m. Folglich wird eine sichere Abtastbreite von 1,8 m ausge
wählt. Fahrbahnstreifen und andere Fahrbahnmarkierungen 16 ha
ben eine Breite von ungefähr 10 cm. Im bevorzugten Ausführungs
beispiel ist es erwünscht, ungefähr zehn Erfassungspunkte über
die Breite der Fahrbahnmarkierung bei einer lateralen Pulsauf
lösung von ca. 1 cm zu haben. Die minimale Anzahl von Impulsen
pro Rasterabtastung (bezeichnet als Pmin) ergibt sich zu:
Pmin = (1,8 m/1 cm)(10 Impulse/Abtastung),
= 1800 Impulse/Abtastung.
= 1800 Impulse/Abtastung.
Erinnert man sich, daß die Abtastrate 1 kHz ist, ergibt
sich eine minimale Impulsrate (bezeichnet als Rmin) von:
Rmin = (1800 Impulse/Abtastung) (1000 Abtastungen/s),
= 1800 kHz,
≈ 2 MHz.
= 1800 kHz,
≈ 2 MHz.
Gegenwärtig verfügbare Laserdioden können leicht diese Im
pulsraten erreichen.
Es können verschiedene Abtast- und Impulsfrequenzen verwen
det werden, und es ist dem Fachmann ohne weiteres möglich, sol
che Raten nach dem oben beschriebenen Verfahren zu berechnen.
Im Vorstehenden wurde beschrieben, wie beim bevorzugten
Ausführungsbeispiel die mechanischen und optischen Komponenten
der Leiteinrichtung 10 angeordnet sind. Als nächstes werden die
elektrischen Komponenten der Leiteinrichtung 10 beschrieben.
Ein Blockschaltbild der elektrischen Hauptkomponenten der
Leiteinrichtung 10 ist in Fig. 3 gezeigt. Ein Taktgeber 44 ist
vorgesehen, um Zeitgabesignale zu erzeugen. Der Taktgeber hat
eine geeignete Frequenz, um die Synchronisation zwischen den
Systemsignalen aufrecht zu halten und zu überwachen. Die genaue
Frequenz des Taktgebers hängt z. B. von der gewünschten Ab
tastrate und der maximalen Fahrgeschwindigkeit ab. Ein Ausgang
des Taktgebers ist mit einem Teiler 45 gekoppelt. Der Teiler 45
teilt die Taktfrequenz auf ein geeignetes Niveau herab, bevor
sie an einen Auslenkgenerator 46 angelegt wird. Der Auslenkge
nerator 46 ist im bevorzugten Ausführungsbeispiel ein Motor.
Mit dem Auslenkgenerator 46 ist der rotierende Spiegel gekop
pelt, der anhand von Fig. 2 beschrieben wurde. Andere Ausgänge
der Takteinrichtung sind mit einem Mikroprozessor 47 und einem
N-Bit-Zähler 48 gekoppelt.
Der reflektierte Laserstrahl 28 wird durch einen Empfänger
30 erfaßt. Wenn der Empfänger 30 durch den Laserstrahl beleuch
tet wird, erzeugt er ein Zeitgabesignal. Dieses Signal wird
durch einen Verstärker 49 verstärkt. Eine Anzahl von Glättungs-
und Signalverarbeitungsstrategien kann angewendet werden, um
unter einer Vielzahl von Bedingungen einen optimalen Betrieb zu
gewährleisten. Wie in Fig. 3 gezeigt ist, benutzt das bevor
zugte Ausführungsbeispiel einen Mittelwertbilder 50, eine Si
gnalanreicherungs- und -vorbehandlungsschaltung 51 und einen
Komparator 52, um das Ausgangssignal des Empfängers 30 zu fil
tern und um sicherzustellen, daß ein Signal nur dann erzeugt
wird, wenn der Laserstrahl auf eine Fahrbahnmarkierung trifft.
Der Ausgang des Komparators 52 ist mit dem N-Bit-Zähler 48 ge
koppelt.
Die Operationsweise der in Fig. 3 dargestellten Schaltung
ist einfach. Das Zeitgabesignal aus dem Taktgeber 44 zeigt an,
wenn der Spiegel jeweils mit der Strahlauslenkung des Laser
strahls beginnt. Der N-Bit-Zähler 48 wird zurückgesetzt und be
ginnt mit dem Zählen der Zeitgabeimpulse jedesmal dann, wenn
dieses erste Taktsignal ausgegeben wird. Wenn eine Fahrbahnmar
kierung den Laserstrahl auf den Empfänger reflektiert, sendet
der Ausgang des Komparators ein zweites Zeitgabesignal an den
N-Bit-Zähler 48 (wie oben beschrieben wurde). Der Zähler stoppt
das Zählen und gibt seinen Wert an den Mikroprozessor 47 aus.
Der Wert des Zählers ist proportional zur lateralen Position
der Fahrbahnmarkierung relativ zur Leiteinrichtung 10. Eine
I/O-Schnittstelle 53 und ein Analog/Digital-Konverter (ADC) 54
werden in Verbindung mit dem Mikroprozessor verwendet, um die
laterale Position der Fahrbahnmarkierung zu bestimmen. Die Aus
gabe des Zählers 48 kann an eine Anzeige 56 für den Benutzer
des Fahrzeugs angelegt werden.
Fig. 5 stellt ein Abtastzeitdiagramm dar und demonstriert
die Beziehungen zwischen den Zeitgabesignalen, die erfindungs
gemäß verwendet werden. Im oberen Diagramm von Fig. 5 ist ein
Synchronisationsimpuls 80 das erste Zeitgabesignal, das durch
den Zeitgeber erzeugt wird. Der Ausgangspegel des Empfängers
ist durch eine durchgezogene Linie veranschaulicht. Der Empfän
gerimpuls wird erzeugt, wenn der Laserstrahl den Empfänger be
leuchtet. Wenn die Stärke des Empfängerausgangssignals einen
vorgegebenen Schwellwert überschreitet, wird der Zähler ausge
schaltet. Im unteren Diagramm von Fig. 5 sind die Taktzählungen
zwischen dem Zeitpunkt, zu dem der Synchronisationsimpuls er
zeugt wird, und dem Zeitpunkt, an dem der von der Fahrbahnmar
kierung reflektierte Laserstrahl durch den Empfänger erfaßt
wird, veranschaulicht.
Fig. 6 stellt eine Rasteranzeige eines Oszilloskops dar,
das (über einen Verstärker) mit dem Ausgang des Fotodetektors
30 verbunden ist. Die Anzeige veranschaulicht das Signal, das
erzeugt wird, wenn die Leiteinrichtung das Vorhandensein von
Farbstreifen auf der Fahrbahnoberfläche erfaßt. Zwei Spitzen 61
und 62 auf der Oszilloskopanzeige sind das Ergebnis einer Reflexion
hoher Intensität von den Glasperlen in den Farbstrei
fen.
Der Mikroprozessor 47 enthält eine geeignete Logik, um das
Signal aus dem Empfänger 30 zu verarbeiten und die Distanz vom
Fahrzeug 12 zur Fahrbahnmarkierung 16 zu berechnen. Der Mikro
prozessor enthält darüberhinaus eine Logik, die so programmiert
ist, daß sie einen laufenden Mittelwert über eine gegebene An
zahl von Abtastungen aufrechterhält und falsche Erfassungen zu
rückweist. Dieses Merkmal kann dann wichtig sein, wenn
schlechte Straßenbedingungen auftreten. Eine weiterentwickelte
Leiteinrichtung kann die durch den Mikroprozessor berechnete
Information verwenden, um die Steuerung des Fahrzeugs zu kon
trollieren und Kollisionen zu vermeiden.
In Fig. 4 ist ein alternatives Ausführungsbeispiels des op
tischen Systems für die Leiteinrichtung dargestellt. Das alter
native Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem bevorzug
ten Ausführungsbeispiel dahingehend, daß der Laserstrahl nicht
über die Fahrbahn hinwegstreicht. Stattdessen wird eine Linse
verwendet, um eine "Laserscheibe" bzw. einen "Laserfächer" zu
erzeugen, welche bzw. welcher gleichmäßig einen schmalen Strei
fen der Fahrbahn beleuchtet. Der Laserstrahl wird wiederum
durch ein Lasererzeugungsmittel 20 erzeugt, welches vorzugs
weise eine Laserdiode ist. Der Laserstrahl tritt durch Kollima
tionslinsen 72 und zylindrische Linsen 73 hindurch, um den La
serfächer 74 zu erzeugen.
Der Laserfächer 74 beleuchtet die Fahrbahn 14. Das Vorhan
densein einer Fahrbahnmarkierung 16 auf der Oberfläche der
Fahrbahn 14 bewirkt, daß ein Teil des Lasersignals zu der Leit
einrichtung 10 zurückreflektiert wird. In Fig. 4 ist das re
flektierte Lasersignal durch eine gestrichelte Linie darge
stellt, wobei es das Bezugszeichen 75 trägt. In Fig. 4 sind
zwei gestrichelte Linien gezeigt, um den Bereich der Orte anzu
zeigen, von welchem der reflektierte Strahl auf die Leitein
richtung einfallen kann. Der reflektierte Laserstrahl 75 tritt
durch ein Fokussiermittel 76 hindurch, welches ihn auf den Emp
fänger 77 fokussiert. Das bevorzugte Fokussiermittel ist eine
asphärische Linse. In diesem alternativen Ausführungsbeispiel
ist der Empfänger eine Matrix diskreter ladungsgekoppelter Bau
elemente (CCD-Array). Jedes CCD hat die Eigenschaft, ein elek
trisches Signal zu erzeugen, wenn es durch einen Laserstrahl
beleuchtet wird. Das CCD-Array wird periodisch abgetastet, um
zu bestimmen, ob eine Fahrbahnmarkierung erfaßt worden ist. Das
CCD-Array wird sequentiell abgetastet, und sein Ausgangssignal
ist sehr ähnlich dem in Fig. 5 gezeigten. Aus diesem Grund kann
das Ausgangssignal des CCD-Array mit einer Schaltung verarbei
tet werden, die ähnlich der in Fig. 3 dargestellten ist.
Fig. 7 stellt eine Rasteranzeige eines Oszilloskops dar,
das (über einen Verstärker) mit dem Ausgang des CCD-Arrays 77
verbunden ist. Die Anzeige veranschaulicht das Signal, das er
zeugt wird, wenn die Leiteinrichtung das Vorhandensein eines
einzelnen Farbstreifens auf der Fahrbahnoberfläche erfaßt. Der
erhöhte zentrale Abschnitt des Signals zeigt an, daß die Breite
von 10 cm des Streifens und ihre Relation zu dem Fahrzeug ohne
weiteres erfaßt wird.
Claims (16)
1. Laser-Leiteinrichtung (10),
gekennzeichnet durch
Lasererzeugungsmittel (20) zum Erzeugen und Aussenden eines Laserstrahls (22);
Lasersteuerungsmittel (26; 46) mit einer Mehrzahl von Sei tenflächen, wobei eine der Seitenflächen den Laserstrahl (22) reflektiert und den Laserstrahl über eine Oberfläche (14) hin wegstreichen läßt und außerdem einen von dieser Oberfläche re flektierten Laserstrahl (29) empfängt und den reflektierten La serstrahl (29) auf Empfängermittel (30) richtet;
mit den Lasersteuerungsmitteln (26; 46) gekoppelte Taktge bermittel (44) zum Erzeugen eines ersten Zeitgabesignals, wenn der Laserstrahl mit dem Überstreichen der Oberfläche beginnt;
wobei die Empfängermittel (30, 49-52) ein zweites Zeitgabe signal erzeugen, wenn der reflektierte Laserstrahl (29) auf sie auftrifft; und
mit den Empfängermitteln (30, 49-52) und den Taktgebermit teln (44) gekoppelte Prozessormittel (47, 48) zum Vergleichen des ersten Zeitgabesignals mit dem zweiten Zeitgabesignal.
Lasererzeugungsmittel (20) zum Erzeugen und Aussenden eines Laserstrahls (22);
Lasersteuerungsmittel (26; 46) mit einer Mehrzahl von Sei tenflächen, wobei eine der Seitenflächen den Laserstrahl (22) reflektiert und den Laserstrahl über eine Oberfläche (14) hin wegstreichen läßt und außerdem einen von dieser Oberfläche re flektierten Laserstrahl (29) empfängt und den reflektierten La serstrahl (29) auf Empfängermittel (30) richtet;
mit den Lasersteuerungsmitteln (26; 46) gekoppelte Taktge bermittel (44) zum Erzeugen eines ersten Zeitgabesignals, wenn der Laserstrahl mit dem Überstreichen der Oberfläche beginnt;
wobei die Empfängermittel (30, 49-52) ein zweites Zeitgabe signal erzeugen, wenn der reflektierte Laserstrahl (29) auf sie auftrifft; und
mit den Empfängermitteln (30, 49-52) und den Taktgebermit teln (44) gekoppelte Prozessormittel (47, 48) zum Vergleichen des ersten Zeitgabesignals mit dem zweiten Zeitgabesignal.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Lasererzeugungsmittel (20) eine Laserdiode aufweisen.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich
net, daß die Lasersteuerungsmittel einen mit einem steuerbaren
Motor gekoppelten Spiegel (26) aufweisen.
4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
der Spiegel ein rotierender Polygonspiegel (26) ist.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
der Polygonspiegel (26) fünf Seiten hat.
6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß der steuerbare Motor ein Schrittmotor ist.
7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die Lasersteuerungsmittel einen akusto-op
tischen Modulator aufweisen.
8. Einrichtung nach einem Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Prozessormittel (47, 48) einen Mikropro
zessor (47) aufweisen.
9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß die Oberfläche (14) die Oberfläche einer
Fahrbahn ist, auf der zumindest eine Fahrbahnmarkierung (16)
angeordnet ist, daß der Laserstrahl von der Fahrbahnmarkierung
reflektiert wird und daß die Prozessormittel (47, 48) das erste
und das zweite Zeitgabesignal so vergleichen, daß sie eine Di
stanz zwischen der Laser-Leiteinrichtung (10) und der Fahrbahn
markierung (16) berechnen.
10. Laser-Leiteinrichtung (10) zum Bestimmen der Distanz
zwischen einem Fahrzeug (12) und einer Fahrbahnmarkierung (16)
auf der Oberfläche einer Fahrbahn (14),
gekennzeichnet durch:
eine Laserdiode (20) zum Erzeugen und Aussenden eines La serstrahls (22);
einen mit einem steuerbaren Motor gekoppelten rotierenden Polygonspiegel (26), der innerhalb einer optischen Spur des La serstrahls angeordnet ist und der den Laserstrahl über die Fahrbahnoberfläche (14) auslenkt, wobei der Spiegel außerdem einen von der Fahrbahnoberfläche reflektierten Laserstrahl (29) empfängt und den reflektierten Laserstrahl (29) auf Empfänger mittel (30) richtet;
mit dem steuerbaren Motor gekoppelte Taktgebermittel (44) zum Erzeugen eines ersten Zeitgabesignals, wenn der Laserstrahl mit der Auslenkung über die Fahrbahnoberfläche (14) beginnt;
wobei die Empfängermittel (30, 49-52) ein zweites Zeitgabe signal erzeugen, wenn der reflektierte Laserstrahl (29) auf sie auftrifft; und
mit den Empfängermittel (30, 49-52) und den Taktgebermit teln (44) gekoppelte Mikroprozessormittel (47) zum Vergleichen des ersten Zeitgabesignals mit dem zweiten Zeitgabesignal der art, daß eine Distanz zwischen der Leiteinrichtung (10) und der Fahrbahnmarkierung (16) berechnet wird.
eine Laserdiode (20) zum Erzeugen und Aussenden eines La serstrahls (22);
einen mit einem steuerbaren Motor gekoppelten rotierenden Polygonspiegel (26), der innerhalb einer optischen Spur des La serstrahls angeordnet ist und der den Laserstrahl über die Fahrbahnoberfläche (14) auslenkt, wobei der Spiegel außerdem einen von der Fahrbahnoberfläche reflektierten Laserstrahl (29) empfängt und den reflektierten Laserstrahl (29) auf Empfänger mittel (30) richtet;
mit dem steuerbaren Motor gekoppelte Taktgebermittel (44) zum Erzeugen eines ersten Zeitgabesignals, wenn der Laserstrahl mit der Auslenkung über die Fahrbahnoberfläche (14) beginnt;
wobei die Empfängermittel (30, 49-52) ein zweites Zeitgabe signal erzeugen, wenn der reflektierte Laserstrahl (29) auf sie auftrifft; und
mit den Empfängermittel (30, 49-52) und den Taktgebermit teln (44) gekoppelte Mikroprozessormittel (47) zum Vergleichen des ersten Zeitgabesignals mit dem zweiten Zeitgabesignal der art, daß eine Distanz zwischen der Leiteinrichtung (10) und der Fahrbahnmarkierung (16) berechnet wird.
11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
daß die Leiteinrichtung (10) auf dem Fahrzeug (12) montiert
ist.
12. Verfahren zum Bestimmen der Distanz zwischen einem
Fahrzeug (12) und einer Fahrbahnmarkierung (16),
dadurch gekennzeichnet, daß
- a) ein Laserstrahl erzeugt wird;
- b) der Laserstrahl über eine Fahrbahnoberfläche ausgelenkt wird;
- c) ein erstes Zeitgabesignal erzeugt wird, wenn mit dem Auslenken des Laserstrahls über die Fahrbahnoberfläche begonnen wird;
- d) eine Reflexion des Laserstrahls von der Fahrbahnmarkie rung auf der Fahrbahnoberfläche empfangen wird;
- e) ein zweites Zeitgabesignal erzeugt wird, wenn die Re flexion empfangen wird; und
- f) eine Zeitdifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Zeitgabesignal so berechnet wird, daß die Distanz zwischen dem Fahrzeug und der Fahrbahnmarkierung bestimmt wird.
13. Laser-Leiteinrichtung (10),
gekennzeichnet durch:
Lasererzeugungsmittel (20, 24) zum Erzeugen und Aussenden eines Laserstrahls (22);
Lasersteuerungsmittel (26) zum Auslenken des Laserstrahls über eine Fahrbahn (14), auf der zumindest eine Fahrbahnmarkie rung (16) angeordnet ist, wobei der Laserstrahl durch die Fahr bahnmarkierung (16) reflektiert wird, und wobei die Lasersteue rungsmittel (26) außerdem den von der Oberfläche reflektierten Laserstrahls (29) empfangen und den reflektierten Laserstrahl (29) auf Empfängermittel (30) richten;
mit den Lasersteuerungsmitteln (26) gekoppelte Taktgeber mittel (44) zum Erzeugen eines ersten Zeitgabesignals, wenn mit der Auslenkung des Laserstrahls über die Oberfläche begonnen wird;
wobei die Empfängermittel (30) ein zweites Zeitgabesignal erzeugen, wenn der reflektierte Laserstrahl (29) auf sie auf trifft; und
mit den Empfängermitteln (30) und den Taktgebermitteln (44) gekoppelte Prozessormittel (47) zum Vergleichen des ersten Zeitgabesignals mit dem zweiten Zeitgabesignal derart, daß eine Distanz zwischen der Laser-Leiteinrichtung (10) und der Fahr bahnmarkierung (16) berechnet wird.
Lasererzeugungsmittel (20, 24) zum Erzeugen und Aussenden eines Laserstrahls (22);
Lasersteuerungsmittel (26) zum Auslenken des Laserstrahls über eine Fahrbahn (14), auf der zumindest eine Fahrbahnmarkie rung (16) angeordnet ist, wobei der Laserstrahl durch die Fahr bahnmarkierung (16) reflektiert wird, und wobei die Lasersteue rungsmittel (26) außerdem den von der Oberfläche reflektierten Laserstrahls (29) empfangen und den reflektierten Laserstrahl (29) auf Empfängermittel (30) richten;
mit den Lasersteuerungsmitteln (26) gekoppelte Taktgeber mittel (44) zum Erzeugen eines ersten Zeitgabesignals, wenn mit der Auslenkung des Laserstrahls über die Oberfläche begonnen wird;
wobei die Empfängermittel (30) ein zweites Zeitgabesignal erzeugen, wenn der reflektierte Laserstrahl (29) auf sie auf trifft; und
mit den Empfängermitteln (30) und den Taktgebermitteln (44) gekoppelte Prozessormittel (47) zum Vergleichen des ersten Zeitgabesignals mit dem zweiten Zeitgabesignal derart, daß eine Distanz zwischen der Laser-Leiteinrichtung (10) und der Fahr bahnmarkierung (16) berechnet wird.
14. Laser-Leiteinrichtung (10),
gekennzeichnet durch:
Lasererzeugungsmittel (20) zum Erzeugen und Aussenden eines gepulsten Laserstrahls;
Linsenmittel (72, 73) zum Transformieren des Laserstrahls in einen Laserfächer (74), wobei der Laserfächer auf ein Ziel (16) auftrifft und wobei das Ziel (16) einen Teil des Laserfä chers (74) reflektiert;
Empfängermittel (77) mit einer linearen Matrix einer Mehr zahl von Lichtdetektoren zum Empfangen des reflektierten An teils (75) des Laserfächers;
mit den Empfängermitteln (77) gekoppelte Prozessormittel zum Erfassen, auf welche der Lichtdetektoren der reflektierte Anteil (75) des Laserfächers auftrifft, so daß eine Distanz zu dem Ziel (16) berechnet wird.
Lasererzeugungsmittel (20) zum Erzeugen und Aussenden eines gepulsten Laserstrahls;
Linsenmittel (72, 73) zum Transformieren des Laserstrahls in einen Laserfächer (74), wobei der Laserfächer auf ein Ziel (16) auftrifft und wobei das Ziel (16) einen Teil des Laserfä chers (74) reflektiert;
Empfängermittel (77) mit einer linearen Matrix einer Mehr zahl von Lichtdetektoren zum Empfangen des reflektierten An teils (75) des Laserfächers;
mit den Empfängermitteln (77) gekoppelte Prozessormittel zum Erfassen, auf welche der Lichtdetektoren der reflektierte Anteil (75) des Laserfächers auftrifft, so daß eine Distanz zu dem Ziel (16) berechnet wird.
15. Einrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet,
daß die Lichtdetektoren ladungsgekoppelte Bauelemente aufwei
sen.
16. Einrichtung (10) zum Bestimmen der Distanz zwischen ei
nem Fahrzeug (12) und einer Fahrbahnmarkierung (16), wobei die
Einrichtung (10) auf dem Fahrzeug (12) montiert ist,
gekennzeichnet durch:
eine Laserdiode (20) zum Erzeugen und Aussenden eines ge pulsten Laserstrahls;
innerhalb einer optischen Spur des Laserstrahls angeordnete Linsenmittel (72, 73) zum Transformieren des Laserstrahls in einen Laserfächer, der auf eine Fahrbahnoberfläche (14) gerich tet ist, auf der zumindest eine Fahrbahnmarkierung (16) ange ordnet ist, wobei ein Teil des Laserfächers durch die Fahrbahn markierung (16) reflektiert wird;
Empfängermittel (77) mit einer Mehrzahl von in einer li nearen Matrix angeordneten ladungsgekoppelten Bauelementen, die auf dem Fahrzeug (12) montiert ist und so angeordnet ist, daß der reflektierte Teil des Laserfächers zumindest eines der la dungsgekoppelten Bauelemente beleuchtet;
mit den Empfängermitteln (77) gekoppelte Prozessormittel zum Berechnen einer Distanz zwischen dem Fahrzeug (12) und der Fahrbahnmarkierung (16) als Funktion der Identität des speziel len ladungsgekoppelten Bauelementes, welches durch den reflek tierten Teil des Laserfächers beleuchtet ist.
eine Laserdiode (20) zum Erzeugen und Aussenden eines ge pulsten Laserstrahls;
innerhalb einer optischen Spur des Laserstrahls angeordnete Linsenmittel (72, 73) zum Transformieren des Laserstrahls in einen Laserfächer, der auf eine Fahrbahnoberfläche (14) gerich tet ist, auf der zumindest eine Fahrbahnmarkierung (16) ange ordnet ist, wobei ein Teil des Laserfächers durch die Fahrbahn markierung (16) reflektiert wird;
Empfängermittel (77) mit einer Mehrzahl von in einer li nearen Matrix angeordneten ladungsgekoppelten Bauelementen, die auf dem Fahrzeug (12) montiert ist und so angeordnet ist, daß der reflektierte Teil des Laserfächers zumindest eines der la dungsgekoppelten Bauelemente beleuchtet;
mit den Empfängermitteln (77) gekoppelte Prozessormittel zum Berechnen einer Distanz zwischen dem Fahrzeug (12) und der Fahrbahnmarkierung (16) als Funktion der Identität des speziel len ladungsgekoppelten Bauelementes, welches durch den reflek tierten Teil des Laserfächers beleuchtet ist.
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