DE102004029130A1

DE102004029130A1 - Verfahren zur Ankupplung eines Anhängers an ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102004029130A1
Application number: DE102004029130A
Authority: DE
Inventors: Ottmar Dr.-Ing. Gehring; Harro Dr.-Ing. Heilmann; Frederic Dipl.-Ing. Holzmann; Andreas Dr.-Ing. Schwarzhaupt; Gernot Dr.-Ing. Spiegelberg; Armin Dr.-Ing. Sulzmann
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2004-06-17
Filing date: 2004-06-17
Publication date: 2005-12-29
Also published as: GB2415173A; JP2006001533A; GB0509313D0; US7204504B2; US20060071447A1; FR2871737B1; GB2415173B; FR2871737A1

Abstract

Bei einem Verfahren zur Ankupplung eines Anhängers (2) an ein Kraftfahrzeug (1), insbesondere eines Aufliegers an eine Sattelzugmaschine, wird ein Bildsensor (5) vorgesehen, welcher derart in einem Ankupplungsbereich (6) angeordnet ist, dass Bilddaten des Ankupplungsbereiches (6) erfasst werden. Während dem Annähern des Kraftfahrzeuges (1) an den Anhänger (2) werden hinterlegte Modelldaten des Ankupplungsbereichs (6) des Anhängers (2) in den vom Bildsensor (5) erfassten Bilddaten segmentiert und jeweils positionsrichtig in den Bilddaten platziert. Daraus wird eine Zielzone (9) zum Ankuppeln bestimmt. Die Anordnung der Zielzone (9) in den Bilddaten wird als Maß für einen Lenkvorgang des Kraftfahrzeuges (1) beim Ankuppeln herangezogen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ankupplung eines Anhängers an ein Kraftfahrzeug, insbesondere eines Aufliegers an eine Sattelzugmaschine, mit einem Bildsensor, welcher derart in einem Ankupplungsbereich angeordnet ist, dass Bilddaten des Ankupplungsbereichs erfasst werden.

Aus der US 2002/0149673 A1 ist ein Bildanzeigeverfahren für eine Heckkamera zur Darstellung eines Bildes bekannt, wobei die Kamera an einem Kraftfahrzeug angebracht ist und das aufgenommene Bild der Kamera dem Fahrer des Kraftfahrzeugs auf einem Bildschirm dargestellt wird. Ein zusätzliches Hilfslinienbild, welches ebenfalls den hinteren Bereich des Kraftfahrzeuges aufzeigt, wird dem Bild überlagert, welches von der Kamera des Kraftfahrzeugs aufgenommen und auf den Bildschirm übertragen wird. Das Hilfslinienbild weist eine Abstandsmarkierung auf. Auf diese Weise ist es möglich, das Kraftfahrzeug derart rückwärts zu bewegen, dass die Zielposition des Kraftfahrzeuges erreicht werden kann. Ebenfalls kann bei Anwendung des Hilfslinienbildes das Kraftfahrzeug derart rückwärts bewegt werden, dass eine Anhängervorrichtung des Kraftfahrzeuges an einen Anhänger angekoppelt werden kann.

Bei dieser Art der Ankopplung eines Anhängers an ein Kraftfahrzeug ist jedoch nachteilig, dass nicht exakt der Zeitpunkt der Ankupplung und der Bremsvorgang des Kraftfahrzeuges bestimmbar ist.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Ankupplung eines Anhängers an ein Kraftfahrzeug, insbesondere eines Aufliegers an eine Sattelzugmaschine, zu schaffen, welches eine präzise und schnelle Ankupplung des Anhängers an das Kraftfahrzeug ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.

Erfindungsgemäß werden während dem Annähern des Kraftfahrzeuges an den Anhänger hinterlegte Modelldaten des Ankupplungsbereichs des Anhängers benutzt, um diese in den vom Bildsensor erfassten Bilddaten zu segmentieren, d. h. dass die den Modelldaten entsprechenden Strukturen im Bild aufgefunden bzw. lokalisiert werden. Die hinterlegten Modelldaten des Ankupplungsbereichs werden positionsrichtig in den Bilddaten platziert. Danach wird aus dieser "Überlagerung" der Modelldaten mit den Bilddaten eine Zielzone zum Ankuppeln des Kraftfahrzeuges an den Anhänger bestimmt. Die Anordnung der Zielzone in den Bilddaten wird somit als Maß für einen Lenkvorgang des Kraftfahrzeuges beim Ankuppeln an den Anhänger herangezogen.

Bei dem Bildsensor kann es sich beispielsweise um eine Kamera handeln, welche sowohl im infraroten als auch im sichtbaren Spektrum empfindlich sein kann. Neben 2D-Bildsensoren sind auch bildgebende Sensoren geeignet, welche 3D-Informationen erfassen können. Hierzu zählen beispielsweise Laserscanner, Radarsensoren und Ultraschallsensoren.

Der Abstand zwischen dem Kraftfahrzeug und dem Anhänger kann dabei direkt von einem 3D-Bildsensor oder mittels 2D-Bildsensoren in einer Stereoanordnung erfasst werden. Auch besteht hierbei die Möglichkeit nach einer initialen Entfernungsmessung oder Entfernungsschätzung Odometriedaten einzubeziehen.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass eine Annäherung des Kraftfahrzeuges an den Anhänger solange erfolgt, bis die Zielzone im Bild eine vorgegebene Größe erreicht hat, wobei beim Erreichen der vorgegebenen Größe der Zielzone manuell oder über eine automatische Steuereinheit ein Bremsvorgang des Kraftfahrzeuges eingeleitet wird.

Besonders vorteilhaft ist ein automatischer Bremsvorgang nach Ankupplung, welcher von einer Steuereinheit, die ein Signal auffängt, automatisch eingeleitet wird. Der das Signal ausgebende Bildsensor kann dabei vorteilhafterweise in die Anhängerkupplung des Kraftfahrzeuges integriert sein, so dass sofort bei Ankupplung des Kraftfahrzeuges an den Anhänger ein Signal ausgegeben wird.

Wird in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass der Ankupplungsvorgang einem Fahrer des Kraftfahrzeuges auf einem Display dargestellt wird, so ist eine leichtere Überwachung des Ankupplungsvorgangs durch den Fahrer möglich, welcher dadurch Lenkvorgänge des Kraftfahrzeuges bzw. den Ankupplungsvorgang leichter steuern kann.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen. Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung prinzipmäßig dargestellt.

Dabei zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeuges, insbesondere einer Sattelzugmaschine, beim Ankupplungsvorgang an einen Anhänger, insbesondere einen Auflieger;
2 eine prinzipmäßige Darstellung eines von einem Bildsensor aufgenommenen Bildes eines Ankopplungsbereiches; und
3 eine prinzipmäßige Darstellung eines nachfolgenden von dem Bildsensor aufgenommenen Bildes eines Kupplungselementes, wobei der Abstand zwischen dem Anhänger und dem Kraftfahrzeug verringert wurde.
In 1 ist ein Kraftfahrzeug 1, welches als Sattelzugmaschine ausgebildet ist, vor der Ankupplung an einen Anhänger 2, hier ein Auflieger, dargestellt. Die Sattelzugmaschine 1 muss zur Ankupplung an den Auflieger 2 rückwärts bewegt werden, wobei der Lenkradwinkel derart geändert wird, dass die Sattelzugmaschine 1 direkt vor dem Auflieger 2 steht und ohne übermäßiges Lenken sich zum Auflieger 2 bewegen kann. Die Sattelzugmaschine 1 weist eine Anhängerkupplung bzw. eine Sattelkupplung 3 zur Ankupplung an den Auflieger 2 auf. Ein Kupplungselement 4, welches als Königszapfen ausgebildet ist und an einer Unterseite des Aufliegers 2 angebracht ist, wird zur Ankupplung des Aufliegers 2 an die Sattelzugmaschine 1 in die Sattelkupplung 3 eingebracht. In einem Bereich der Anhängerkupplung 3 ist ein Bildsensor 5, beispielsweise eine Kamera, angeordnet. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Bildsensor 5 leicht unterhalb der Anhängerkupplung 3 angeordnet, wobei der Bildsensor 5 rückwärts gerichtet Bilddaten bzw. Bilder von einem Ankupplungsbereich 6 aufnimmt. Der Bildsensor 5 kann selbstverständlich auch in die Anhängerkupplung 3 integriert sein und/oder automatisch aktiviert werden. Dies ist dahingehend von Vorteil, dass der Königszapfen 4 wesentlich leichter detektiert werden kann, als wenn der Bildsensor 5 seitlich an der Anhängerkupplung 3 angebracht ist. Der Bildsensor 5 liefert in Echtzeit ein Bild des Ankupplungsbereiches 6, welches einer Steuereinheit, welche in der Sattelzugmaschine 1 vorgesehen ist, zugeführt wird. Die Software der Steuereinheit, wobei Standardsoftware eingesetzt werden kann, arbeitet in zwei Schritten. Dabei wird der Königszapfen 4 des Aufliegers 2 mittels dem Bildsensor 5 aufgefunden und der Weg geregelt, um dieses Ziel zu erreichen. Da im Ankupplungsbereich 6 sehr wenig Licht vorhanden ist, ist es nicht sofort möglich, den Königszapfen 4 zu detektieren. Bisher bekannte Methoden, wie z.B. Bildsegmentierung, eignen sich hierbei nur bedingt, da nach der Ableitung des von dem Bildsensor 5 aufgenommenen Bildes zunächst sehr viele einzelnen Konturen im Bild vorhanden sind und diese aufwendig gefiltert werden müssen. Außerdem sind konstante Beleuchtungsverhältnisse erforderlich. Daher arbeitet die Software der Steuereinheit mit einem Modell, welches zuvor von dem eingesetzten Auflieger 2 erstellt wurde, somit bekannt ist und hinterlegt wurde. Je nach der Art des Aufliegers 2 können verschiedene Modelle eingesetzt werden.
Das Modell des Aufliegers 2, welches nur die wichtigsten Konturen bzw. Linien (Modelldaten) von dem Auflieger 2 aufweist, wird gemäß 2 in das von dem Bildsensor 5 aufgenommene Bild des Ankupplungsbereiches 6 integriert, so dass z.B. wie in 2 die Konturen der Räder sich mit den Rädern des aufgenommenen Bildes überlagern. Modelldaten können beispielsweise die Achse mit den Rädern, nur die Räder oder auch nur Stützen des Aufliegers 2 sein. Das Modell des Aufliegers 2 ist mit dem Bezugszeichen 7 versehen und wird durch die gestrichelten Linien dargestellt. Zur Platzierung des Modells 7 im aufgenommenen Bild kann ein bekannter Bildverarbeitungsalgorithmus eingesetzt werden. Bei genauer Überlappung der dargestellten Konturen des Modells 7 mit den im Bild dargestellten Bereichen ist nun genau bekannt, wo sich der Königszapfen 4 im Bild befindet. Der aufgefundene Bereich des Königszapfens 4 ist in 2 mit dem Bezugszeichen 8 dargestellt. Mittels dem Bildverarbeitungsalgorithmus wird ein Bereich 9 festgelegt, welcher das Ziel enthält, Dieser Bereich 9 umfasst einen größeren Ausschnitt um den Königszapfen 4 herum und wird als Zielzone bezeichnet.
Während der langsamen Bewegung der Sattelzugmaschine 1 zum Auflieger 2 hin, muss der Bereich 8, welcher den Königszapfen 4 darstellt, mit geringer werdenden Abstand zwischen Sattelzugmaschine 1 und Auflieger 2 vergrößert werden, da der Kö nigszapfen 4 umso größer wird, je näher sich die Sattelzugmaschine 1 dem Auflieger 2 annähert, wie dies in 3 dargestellt ist. Ebenfalls muss der Bereich 8 beim Annähern im Bild erneut zentriert werden, um später richtig ankuppeln zu können. Die Zone 9 stellt dabei die Zielzone des Bereichs 8 dar, was bedeutet, dass der Bereich 8 bei Ankupplung der Sattelzugmaschine 1 an den Auflieger 2 in seiner Position der Zone 9 entspricht. Das Ziel des Bereichs 8 ist somit im Bild zentriert. Die Abweichung zwischen der Mitte der Bildaufnahme in horizontaler Richtung und der Mitte des Bereichs 8 in horizontaler Richtung wird dabei als Fehler gelesen, Zur positionsrichtigen Zentrierung des Bereichs 8 in Bezug auf die Zielzone 9 wird der Soll- und der Istwert des Bereichs 8 bestimmt, wobei der Sollwert 0 gesetzt wird und der Istwert den Fehler darstellt, welcher korrigiert werden muss. Zur Korrektur wird vorzugsweise ein PID-Regler eingesetzt.
Wie bereits erwähnt, bewegt und vergrößert sich der Bereich 8 des Königszapfens 4 beim Annähern der Sattelzugmaschine 1 an den Auflieger 2. Mittels der Steuereinheit wird dabei für jedes Bild die neue Position und der Vergrößerungsfaktor des Bereichs 8 bestimmt. Da die Bilder sehr schnell nacheinander aufgenommen werden, ist der Unterschied aufeinanderfolgender Bildaufnahmen gering. Aus diesem Grund vergleicht der Bildverarbeitungsalgorithmus das zuletzt aufgenommene Bild des Bereichs 8 mit einem Anfangsbild des Bereichs 8. Das Bild des Königszapfens 4 wird jeweils nach jeder Aufnahme abgeleitet und mit einem Schwellwert gefiltert. Der Schwellwert kann hierbei beispielsweise empirisch ermittelt werden oder mittels einer adaptiven Schwelle solange variiert werden, bis sich ein optimales Ergebnis zeigt. Dabei wird die Ableitung des Bildes beispielsweise mit dem Sobel-Operator berechnet. Der Sobel-Operator verstärkt Strukturen in Bildern und arbeitet mit einer Faltungsmaske, welche z.B. eine Matrix mit 5 × 5 Elementen aufweist, die über das Eingabebild geschoben wird. Durch die Matrix wird die Umgebung des Pixels, das sich unter dem Mittelpunkt der Matrix befindet, betrachtet. Dabei wird das Pixel des Eingabebildes mit dem Wert in der entsprechenden Matrixzelle multipliziert und die Produkte aufaddiert. Die Summe stellt den Grauwert des Pixels in der Mitte der Matrix dar. Dieser Wert wird in das gefilterte Bild eingetragen. Je nach Wahl der Matrixelemente können horizontale, vertikale oder diagonale Kanten ermittelt werden. Mittels des Sobel-Operators können bei kontrastarmen Bildern, welche hier vorliegen, gute Ergebnisse erzielt werden. Es wird nur der Betrag der Ableitung gespeichert. Die Zielzone eines nachfolgenden Bildes wird unter Verwendung eines Vergrößerungsfaktors mit einer größeren Breite und einer größeren Höhe extrahiert. Der Vergrößerungsfaktor kann hierbei fest vorgegeben sein oder aufgrund von Entfernungswerten festgelegt sein, wobei die Entfernungswerte direkt mittels dem Bildsensor 5 erfasst werden und/oder rechnerisch aufgrund von Odometriedaten (Lenkwinkel, Radumdrehungen, ...) bestimmt werden. Die extrahierte Zone wird ebenfalls abgeleitet und gefiltert. Die Bewegungs- und Vergrößerungsänderung des Bereichs 8 wird durch einen ICP (iterative closest point)-Algorithmus bestimmt. Hierbei werden zuerst die zwei Bilder überlagert und für jedes Pixel der Abstand mit seinem nächsten Nachbarn im vorhergehenden Bild berechnet. Für das neu entstandene Bild wird dann die Gesamtänderung berechnet. Hierbei werden die Einzeländerungen für jede Achse (x- und y-Achse) und für die Vergrößerung für jedes Pixel aufsummiert.
Die Position des neuen Bereichs 8 durch Bewegung und Vergrößerung im Bild heißt P. Die Abweichung zwischen dem ersten Bild und dem zweiten Bild wird als e bezeichnet und die Iterationsschritte tragen die Bezeichnung n. Die nächste Korrektur c muss also definiert sein als: P_n+i = P_n – c. Dabei sieht die Jacobi-Matrix wie folgt aus:
Durch lineare Annäherung wird folgende Formel erhalten: J·c = e
Der optimale Bewegungsfaktor sollte somit die Norm ||J·c – e||² erfüllen. Die Methode wird stabilisiert und besitzt eine übersteuerte Konvergenz. Ein neuer Vektor wird dabei so lange berechnet, bis keine Verbesserungsmöglichkeiten mehr vorliegen. Die Software der Steuereinheit "kennt" somit die Bewegung und die Vergrößerung. Die Bewegung wird dazu benutzt, um den neuen Bereich 8 zu überwachen bzw. zu extrahieren, wobei die Vergrößerung zur Wahl der neuen Breite und Höhe des Bereichs 8 im Bild benutzt wird.
Wenn der Bereich 8, welcher den Königszapfen 4 enthält, der Zone 9 angeglichen ist und somit keine Verbesserungsmöglichkeiten mehr vorliegen, kann die Ankupplung der Sattelzugmaschine 1 an den Auflieger 2 erfolgen, wobei der Königszapfen 4 automatisch in die Anhängerkupplung 3 einfährt bzw. eingesteckt wird. An einer Wand der Anhängerkupplung 3 ist beispielsweise wenigstens ein Sensor vorgesehen, welcher Signale per CANbus an eine Steuereinheit des Antriebsstranges (Powertrain Controller) sendet, wodurch sofort ein Bremsvorgang eingeleitet wird. Der Bremsvorgang kann dabei automatisch mittels einer weiteren Steuereinheit, welche die Bremsen der Sattelzugmaschine 1 nach Ankupplung blockiert, vorgenommen werden. Es ist aber auch möglich, dass der Sensor ein Signal an den Fahrer der Sattelzugmaschine 1 sendet, welcher danach den Bremsvorgang einleitet.
Das Ankupplungssystem kann auf Knopfdruck durch den Fahrer im Fahrerhaus der Sattelzugmaschine 1, per Funkfernbedienung oder von einem Leitstand (auch per Funk) aktiviert werden.
Es ist auch möglich, dass der Fahrer der Sattelzugmaschine 1 den Ankupplungsvorgang über ein Display im Fahrerhaus kontrolliert und regelt, wobei die Steuereinheit die von dem Bildsensor 5 aufgenommenen Bilder wie auch die überlagerten Modelle auf dem Display dem Fahrer zugänglich macht. Auf die se Weise kann der Fahrer den Ankupplungsvorgang genau überwachen.

Claims

Verfahren zur Ankupplung eines Anhängers an ein Kraftfahrzeug, insbesondere eines Aufliegers an eine Sattelzugmaschine, mit einem Bildsensor, welcher derart in einem Ankupplungsbereich angeordnet ist, dass Bilddaten des Ankupplungsbereiches erfasst werden, dadurch gekennzeichnet, dass während dem Annähern des Kraftfahrzeuges (1) an den Anhänger (2) hinterlegte Modelldaten des Ankupplungsbereichs (6) des Anhängers (2) in den vom Bildsensor (5) erfassten Bilddaten segmentiert und jeweils positionsrichtig in den Bilddaten platziert werden und dass daraus eine Zielzone (9) zum Ankuppeln bestimmt wird, wobei die Anordnung der Zielzone (9) in den Bilddaten als Maß für einen Lenkvorgang des Kraftfahrzeuges (1) beim Ankuppeln herangezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Annäherung des Kraftfahrzeuges (1) an den Anhänger (2) solange erfolgt, bis die Zielzone (9) im Bild eine vorgegebene Größe erreicht hat, wobei beim Erreichen der vorgegebenen Größe der Zielzone (9) manuell oder über eine automatische Steuereinheit ein Bremsvorgang des Kraftfahrzeuges (1) eingeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Ankupplung des Kraftfahrzeuges (1) an den Anhänger (2) wenigstens ein Sensor ein Signal abgibt, so dass ein Bremsvorgang des Kraftfahrzeuges (1) eingeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bildsensor (5) automatisch aktiviert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bild der Zielzone (9) abgeleitet und mit einem Schwellwert gefiltert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ankupplungsvorgang auf einem Display einem Fahrer des Kraftfahrzeugs (1) dargestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Modelldaten eine Achse mit Rädern, Räder oder Stützen des Anhängers (2) verwendet werden.