DE4307408A1

DE4307408A1 - Laser-Leiteinrichtung

Info

Publication number: DE4307408A1
Application number: DE4307408A
Authority: DE
Inventors: William D Dr Bachalo; Khalid M Ibrahim; Carlos A Dr Schuler
Original assignee: Aerometrics Inc
Current assignee: Aerometrics Inc
Priority date: 1992-03-09
Filing date: 1993-03-09
Publication date: 1993-11-25
Also published as: US5293162A

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 F_min) berech net werden als:

F_min = (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 P_min) ergibt sich zu:

P_min = (1,8 m/1 cm)(10 Impulse/Abtastung),
= 1800 Impulse/Abtastung.

Erinnert man sich, daß die Abtastrate 1 kHz ist, ergibt sich eine minimale Impulsrate (bezeichnet als R_min) von:

R_min = (1800 Impulse/Abtastung) (1000 Abtastungen/s),
= 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

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.

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.

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.

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.

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.