DE69817197T2

DE69817197T2 - Feuchtigkeitssensor und windschutzscheiben-beschlagdetektor

Info

Publication number: DE69817197T2
Application number: DE69817197T
Authority: DE
Inventors: S. Joseph STAM; H. Jon BECHTEL; K. John ROBERTS
Original assignee: Gentex Corp
Current assignee: Gentex Corp
Priority date: 1997-09-16
Filing date: 1998-09-10
Publication date: 2004-06-09
Anticipated expiration: 2018-09-11
Also published as: US20060065821A1; DE69835175D1; JP2001516670A; JP2004212404A; US6097024A; DE69835175T2; AU9313598A; US7199346B2; EP1015286B1; US20040000631A1; US7485844B2; CA2301303C; US6946639B2; ES2205547T3; KR20010024011A; WO1999014088A1; US6495815B1; ATE332256T1; US20040046103A1; CA2301303A1

Description

Technisches Sachgebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein System zum automatischen Erfassen des Vorhandenseins von Feuchtigkeit auf einer Oberfläche, wie beispielsweise der Oberfläche einer Windschutzscheibe für ein Kraftfahrzeug, um automatisch die Scheibenwischer und/oder das Enteisungs- oder Antibeschlagsystem zu betätigen.
Beschreibung des Stands der Technik
In herkömmlichen Scheibenwischersystemen werden die Scheibenwischer basierend auf der abgelaufenen Zeit zwischen Wischvorgängen, im Gegensatz zu dem Feuchtigkeitsniveau auf der Außenseite der Windschutzscheibe, betätigt. Während Bedingungen eines relativ gleichmäßigen Regenfalls, kann, zum Beispiel, das Zeitintervall so eingestellt werden, um der Zeitdauer zu entsprechen, in der sich der Regen bis zu einem Punkt eines enrwünschten Sichtniveaus ansammelt. Leider kann die Regenfallrate sehr stark über eine gegebene Zeitperiode variieren. Zusätzlich können Verkehrszustände auch bewirken, dass variierende Mengen an Regen auf die Windschutzscheiben aufgrund von Verkehrsbedingungen, wie beispielsweise aufgrund eines vorbeifahrenden LKWs, oder dergleichen, auftreffen. Als Folge muss, während solcher Bedingungen, das Wischerzeitintervall häufig eingestellt werden, was mühsam sein kann.
Verschiedene Systeme sind bekannt, die automatisch das Intervall zwischen Wischvorgängen der Scheibenwischer basierend auf der Feuchtigkeit auf der Fahrzeugwindschutzscheibe steuern. In einigen bekannten Systemen werden verschiedene Beschichtungen auf die Fahrzeugwindschutzscheibe aufgebracht. Eine elektrische Messung solcher Beschichtungen wird dazu verwendet, eine Anzeige über den Feuchtigkeitsgehalt auf der Windschutzscheibe zu liefern. Allerdings erfordern solche Verfahren relativ kostspielige Prozesse, die ein solches System kommerziell nicht tragbar gestalten. Andere Systeme für ein automatisches Erfassen des Feuchtigkeitsgehalts auf einer Windschutzscheibe sind auch bekannt. Zum Beispiel sind optische Systeme bekannt, die die Differenz von reflektiertem Licht einer trockenen Windschutzscheibe gegenüber einer nassen Wind schutzscheibe messen. Allerdings ist das optische Verfahren für eine Interferenz mit externen Lichtquellen anfällig und liefert so eine nicht ausreichende Funktion. Andere, bekannte Systeme müssen an der Windschutzscheibe angeklebt werden, was das Ersetzen der Windschutzscheibe kompliziert gestaltet. Als Folge solcher Komplikationen werden Feuchtigkeitssensoren nur selten an Fahrzeugen vorgefunden.
Ein anderes System für ein automatisches Erfassen des Feuchtigkeitsgehalts auf einer Windschutzscheibe ist in der japanischen, offengelegten Patentveröffentlichung Nr. Hei>(1995)-286130 offenbart, die die Verwendung eines Bildsensors einer ladungsgekoppelten Vorrichtung (CCD) beschreibt, um einen Teil der Windschutzscheibe abzubilden, um Regentropfen zu erfassen. Das System, das hier beschrieben ist, berechnet die Summe der Differenzen zwischen jedem Pixel und dem Durchschnitt aller Pixel. Allerdings werden Frontscheinwerfer von ankommenden Fahrzeugen einen hellen Fleck in dem Bild erzeugen, in Bezug auf das es schwierig sein würde, es vollständig zu verwischen, und es ist wahrscheinlich, dass er als Regen interpretiert werden wird. Weiterhin müssen Bilder, damit ein solches System effektiv arbeitet, von der bestimmten Szene bzw. Ansicht vollständig verwischt werden. Ansonsten werden dort helle und dunkle Bereiche in der bestimmten Szene vorhanden sein. Obwohl dabei kein optisches System vorhanden ist, das in der japanischen, offengelegten Patentanmeldung zum Erfüllen dieser Aufgabe offenbart ist, wäre es sehr schwierig, ein optisches System zu entwickeln, um vollständig einen ankommenden Frontscheinwerfer zu verwischen. Ein Fehlschlagen, ankommende Frontscheinwerfer zu verwischen, könnte ein falsches triggern des Systems, offenbart in der vorstehend identifizierten, japanischen, oftengelegten Patentanmeldung, bewirken.
Ein anderes Problem in Verbindung mit automatischen Regenertassungssystemen ist die Unfähigkeit des Systems, den Betrieb der Scheibenwischer zu erfassen. Unter bestimmten, kalten Klimabedingungen ist es bekannt, dass die Scheibenwischer an der Windschutzscheibe einfrieren. In einer solchen Situation würde, da die Feuchtigkeit nicht durch die Scheibenwischer entfernt wird, eine automatische Regenerfassungsvorrichtung kontinuierlich die Scheibenwischer anweisen, zu arbeiten, sogar obwohl die Scheibenwischer an der Windschutzscheibe angefroren sind, was potentiell das Windschutzscheibenwischersystem beschädigt.
Ein anderes, bekanntes Problem in Verbindung mit bekannten Systemen ist die Unfähigkeit, Nebel bzw. einen Beschlag auf der Innenseite und der Außenseite der Wind schutzscheiben zu erfassen. Wie vorstehend erwähnt ist, basieren automatische Feuchtigkeitserfassungssysteme, wie sie in der vorstehend angegebenen, offengelegten, japanischen Patentanmeldung offenbart sind, auf der Fähigkeit, Regentropfen auf der Windschutzscheibe zu erfassen. Wenn ein gleichförmiger Beschlag oder Feuchtigkeitsnebel die Fahrzeugwindschutzscheibe abdeckt, sind Systeme, wie beispielsweise das System, das in der oftengelegten, japanischen Patentanmeldung offenbart ist, nicht der Lage, eine solche Feuchtigkeit auf der Außenseite der Windschutzscheibe zu erfassen. Als Folge werden, während eines solchen Zustands, die Scheibenwischer manuell betätigt werden müssen, um dadurch teilweise den Zweck eines automatischen Regensensors zu erfüllen, und das Scheibenwischersteuersystem führt dazu, dass dieses Merkmal weniger erwünscht ist.
In anderen Situationen entwickelt sich ein Beschlag auf der Innenseite der Windschutzscheibe unabhängig von dem Feuchtigkeitsgehalt auf der Außenseite der Windschutzscheibe. Unter einer solchen Bedingung sind automatische Regenerfassungssysteme, wie sie beispielsweise in der japanischen, offengelegten Patentanmeldung offenbart sind, nicht in der Lage, den Feuchtigkeitsgehalt auf der Außenseite der Windschutzscheibe zu erfassen, bis zu dem Zeitpunkt, nachdem der Beschlag auf der Innenseite der Windschutzscheibe beseitigt ist. Unter einer solchen Bedingung müsste ein Entfrosteroder Enteisungssystem manuell betätigt werden, um den Innenseitenbeschlag auf der Windschutzscheibe zu entfernen. Der automatische Regensensor würde nicht während eines solchen Zustands betätigt werden, bis der Beschlag auf der Innenseite der Windschutzscheibe ausreichend beseitigt ist.
Das US-Patent Nr. 4,867,561 offenbart ein System zum Erfassen von Feuchtigkeit und Beschlag auf der Windschutzscheibe. Das System verwendet ein lineares Feld aus Fühlelementen, positioniert hinter einem Infrarotfilter, um reflektiertes Licht, emittiert von entsprechenden, infrarotes Licht emittierenden LEDs, zu erfassen. Wenn eine ausreichende Anzahl von Erfassungselementen kein reflektiertes Licht erfassen, bestimmt das System, dass sich Feuchtigkeit auf der Windschutzscheibe befindet, und aktiviert die Scheibenwischer. Einige der Erfassungselemente des Felds besitzen entsprechende LEDs, die so positioniert sind, um Licht zu reflektieren, wenn ein Beschlag nicht auf der Innenseite der Windschutzscheibe vorhanden ist. Dies sind zugeordnete LEDs und Sensoren, die separat von denjenigen vorhanden sind, die dazu verwendet werden, Feuchtigkeit auf der Außenseite der Oberfläche der Windschutzscheibe zu erfassen. Dieses System ist in Bezug auf einen fehlerhaften Betrieb der Scheibenwischer anfällig, wenn ein Fahrzeug in derselben Richtung vor dem Fahrzeug fährt und seine Bremslichter betätigt oder wenn die Fahrlichter besonders hell sind. Dies kommt daher, dass einige Fahrzeuge eine wesentliche Menge an infrarotem Licht von deren Rückleuchten abgeben. Solches infrarotes Licht von den Rückleuchten kann durch das Feld der Sensoren auch dann erfasst werden, wenn Feuchtigkeit auf der Windschutzscheibe vorhanden ist, so dass ein Betrieb der Scheibenwischer verhindert wird, wenn Feuchtigkeit auf der Windschutzscheibe vorhanden ist. Weiterhin wird, falls ein Beschlag auf der Innenseite der Windschutzscheibe vorhanden ist, das System, das in dem US-Patent offenbart ist, den Beschlag erfassen, allerdings wird es nicht in der Lage sein, Feuchtigkeit auf der Außenfläche der Windschutzscheibe zu erfassen, bis zu dem Zeitpunkt, zu dem der Beschlag beseitigt worden ist.
Das US-Patent Nr. 5,276,389 offenbart ein Regenerfassungssystem, umfassend eine Mehrzahl von Infrarotstrahltransmittern, optisch verbunden mit der Fahrzeugwindschutzscheibe, um Licht zu emittieren, das in die Windschutzscheibe eingekoppelt wird und das durch den überwachten Bereich der Windschutzscheibe zu einer entsprechenden Vielzahl von Strahlempfängern propagiert, die optisch mit der Windschutzscheibe gekoppelt sind. Das Vorhandensein von Feuchtigkeit auf dem überwachten Bereich der Windschutzscheibe bewirkt, dass Licht, das durch die Windschutzscheibe propagiert, entsprechend gedämpft wird. Das System analysiert dann die Signale, ausgegeben von den Empfängern, um zu bestimmen, ob die Scheibenwischer zu aktivieren sind.
Der Wunsch, eine automatische Regenerfassung zu haben, ist derjenige, ein System zu haben, das automatisch die Scheibenwischer während typischer, klimatischer Bedingungen, wie beispielsweise Regen, Schnee und Nebel, steuert. Wenn das Scheibenwischersystem manuell während solcher typischen Bedingungen betätigt werden muss, wird ein solches Merkmal unerwünscht.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System zu schaffen, dass die Probleme des Stands der Technik löst.
Es ist eine noch andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System für ein automatisches Erfassen des Feuchtigkeitsgehalts auf der Windschutzscheibe eines Fahrzeugs zu schaffen.
Es ist eine noch andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System zum automatischen Erfassen von Feuchtigkeit auf der Windschutzscheibe eines Fahrzeugs während üblicher, klimatischer Bedinungen, wie beispielsweise Regen, Schnee und Nebel, zu erfassen.
Es ist eine noch weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System zum automatischen Erfassen des Vorhandenseins von Nebel auf der Außenseite einer Windschutzscheibe zu schaffen.
Es ist eine noch andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System zum automatischen Erfassen des Vorhandenseins von Nebel auf der Innenseite einer Windschutzscheibe zu erfassen.
Es ist eine noch weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System zum automatischen Erfassen der Scheibenwischer, die einen Bereich der Windschutzscheibe überqueren, zu erfassen.
Kurz gesagt bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein System zum automatischen Erfassen von Feuchtigkeit auf der Windschutzscheibe eines Fahrzeugs. Das automatische Feuchtigkeitserfassungssystem umfasst ein optisches System zum Abbilden eines Bereichs der Windschutzscheibe auf einen Bildfeldsensor, wie beispielsweise einen CMOS-Aktiv-Pixel-Sensor. Die Spannung jedes der Pixel, die den Beleuchtungspegel darstellt, wird in einen entsprechenden Grauskalenwert durch einen Analog-Digital-Wandler umgewandelt. Die Grauskalenwerte entsprechend zu dem Bild, werden in einem Speicher gespeichert. Die Zusammensetzung der räumlichen Frequenz der Grauskalenwerte wird analysiert, um die Menge an Regen, der vorhanden ist, zu bestimmen, um ein Steuersignal zu liefern, um den Betrieb der Scheibenwischer des Fahrzeugs als eine Funktion der Menge der vorhandenen Feuchtigkeit zu steuern. Das System ist auch dazu geeignet, Nebel bzw. einen Beschlag sowohl auf der Innenseite der Windschutzscheibe ebenso wie auf der Außenseite der Windschutzscheibe zu erfassen. Durch Schaffen eines Systems zum automatischen Erfassen des Vorhandenseins von Beschlag auf der Innenseite und der Außenseite der Windschutzscheibe werden ernsthafte Funktionseinschränkungen von bekannten, automatischen Regensensoren während typischer, klimatischer Bedingungen eliminiert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Diese und andere Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden leicht unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung und die beigefügten Zeichnungen ersichtlich werden, wobei:
1 zeigt ein typisches Diagramm, das eine Windschutzscheibe und einen befestigten Rückspiegel darstellt, ein System gemäß der vorliegenden Erfindung zeigend.
2 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Bereichs des Systems zum Erfassen von Feuchtigkeit auf der Außenseite einer Windschutzscheibe gemäß der vorliegenden Erfindung.
3 zeigt ein physikalisches Diagramm eines Systems gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung zum Erfassen von Beschlag, die die Projektion eines Lichtstrahls auf die Windschutzscheibe für eine Beschlag-Erfassung darstellt.
4a und 4b zeigen mittels Computer simulierte Fleck-Diagramme, die die Funktionsweise des optischen Systems gemäß der vorliegenden Erfindung während feuchten und nicht feuchten Bedingungen, jeweils, darstellen.
5 zeigt ein Flußdiagramm für das System gemäß der vorliegenden Erfindung.
6 zeigt ein Blockdiagramm des Systems gemäß der vorliegenden Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Ein automatisches System zum Erfassen von Feuchtigkeit gemäß der vorliegenden Erfindung ist in der Lage, Feuchtigkeit auf der Windschutzscheibe eines Fahrzeugs zu erfassen, um automatisch die Scheibenwischer des Fahrzeugs, das Defroster- und/oder Antibeschlagssystem, zu steuern. Das System zum automatischen Erfassen von Feuchtigkeit auf einer Windschutzscheibe eines Fahrzeugs beseitigt viele der Funktions-Nachteile von bekannten, automatischen Feuchtigkeitserfassungssystemen unter kommerziell tragbaren Kosten. So, wie er hier verwendet wird, wird der Ausdruck „Feuchtigkeit" dazu verwendet, verschiedene Typen von Feuchtigkeit und einem Niederschlag zu bezeichnen, die auf der Windschutzscheibe eines Fahrzeugs während verschiedenen, klimatischen Bedinungen, wie beispielsweise Regenfall, Schneefall, Eis, Nebel, ebenso wie von anderen Substanzen, die üblicherweise auf der Windschutzscheibe niedergeschlagen werden, wie beispielsweise Insekten, Staub und dergleichen, vorgefunden werden können. Das System ist auch in der Lage, eine ausgezeichnete Funktionsweise bei anderen, bekannten Syste men während üblichen, klimatischen Zuständen zu erzielen, wie beispielsweise Eis, Nebel und variierende Stärken eines Regen- und Schneefalls, und dergleichen.
So, wie es in weiterem Detail nachfolgend diskutiert werden wird, wird ein Teil der Windschutzscheibe auf einem Bildfeldsensor abgebildet. Ein optisches System, das einen Teil der vorliegenden Erfindung bildet, bewirkt, dass Regentropfen und andere Quellen für Feuchtigkeit auf der Windschutzscheibe scharf fokussiert werden, während bestimmte Objekte jenseits der Windschutzscheibe stark in das Bild hinein verschmiert werden. Das Verarbeitungssystem analysiert das Bild hinsichtlich scharfer Diskontinuitäten, verursacht durch die Kanten der Regentröpfchen oder eine andere Feuchtigkeit und durch zufälliges Fokussieren der bestimmten Objekte durch die Tröpfchen. Diese Diskontinuitäten stellen hohe, räumliche Frequenzkomponenten dar. Die Größe von hohen, räumlichen Frequenzkomponenten ist ein Maß für die Menge des Regens oder einer anderen Feuchtigkeit auf dem Fahrzeug, das dazu verwendet werden kann, um automatisch die Fahrzeugscheibenwischer zu steuern. In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist das System so angepasst, um Nebel auf der Innenseite und der Außenseite der Windschutzscheibe zu erfassen, um einen zufälligen Betrieb des automatischen Feuchtigkeitserfassungssystems zu verhindern. Als solches eliminiert die vorliegende Erfindung viele der verschiedenen Funktionsbeschränkungen von bekannten Systemen für die automatische Erfassung von Feuchtigkeit.
In einer noch anderen, alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das System dazu in der Lage, einen Betrieb der Scheibenwischer zu erfassen, um einen zufälligen Betrieb zu verhindern und eine Beschädigung des Scheibenwischersystems während Bedingungen zu verhindern, wenn die Scheibenwischer an der Windschutzscheibe anhaften oder daran angefroren sind. So, wie dies vorstehend diskutiert ist, analysiert das System das Bild eines Bereichs der Windschutzscheibe hinsichtlich scharfer Diskontinuitäten, die relativ hohe, räumliche Frequenzkomponenten bzw. räumlichen Hochfrequenzkomponenten haben werden. Die Größe dieser hohen, räumlichen Frequenzkomponenten wird dazu verwendet, das Maß der Feuchtigkeit oder von anderen Substanzen auf der Windschutzscheibe darzustellen. Demzufolge werden Staub, Insekten und andere Substanzen zu Anfang als Feuchtigkeit behandelt. Allerdings besitzt, wie vorstehend diskutiert ist, das System die Fähigkeit, automatisch einen Betrieb der Scheibenwischerblätter zu erfassen. Demzufolge kann, falls die Substanz, die Eis, Schmutz, Risse oder andere Substanzen sein kann, die nicht durch die Scheibenwischer entfernbar ist, auf der Windschutzscheibe nach einem oder mehreren Wischvorgängen verbleibt, das System gemäß der vorliegenden Erfindung so konfiguriert sein, um solche Substanzen zu ignorieren, um einen weiteren, zufälligen Betrieb des Scheibenwischersystems des Fahrzeugs zu verhindern.
In 1 ist das System zum automatischen Erfassen von Feuchtigkeit gemäß der vorliegenden Erfindung allgemein mit dem Bezugszeichen 20 bezeichnet. Das System zum automatischen Erfassen von Feuchtigkeit kann stationär in einem Befestigungsträger 22 eines Fahrzeugrückspiegels 24 befestigt sein oder kann alternativ in dem hinteren Bereich des Rückspiegelgehäuses 24 befestigt sein. Das System 20 zum automatischen Erfassen der Feuchtigkeit umfasst einen Bildfeldsensor, befestigt, zum Beispiel, 2–3 Inch hinter der Fahrzeugwindschutzscheibe 26, wobei die optische Achse im Wesentlichen parallel zu dem Boden oder leicht angewinkelt zu dem Boden verläuft. Der Winkel der Winschutzscheibe 26 in einem modernen Personenfahrzeug beträgt ungefähr 27°. Eine solche Konfiguration kann bewirken, dass Regentropfen und andere Feuchtigkeit unter einem unterschiedlichen Abstand von dem Bildsensor, in Abhängigkeit davon, wo sich die Feuchtigkeit in Bezug auf das Sichtfeld des Bildsensors befindet, vorhanden ist. Dabei zu helfen, diese Problem zu kompensieren, kann der Bildsensor unter ungefähr 10° zu der Windschutzscheibe 26 angewinkelt sein, so dass die Oberseite des Sensors 20 näher zu der Windschutzscheibe 26 bewegt wird.
Dabei sind vier Hauptkomponenten bei dem System 20 zum automatischen Erfassen von Feuchtigkeit vorhanden: ein optisches Bilderzeugungssystem; eine lichtemittierende Diode; ein Bildfeldsensor; und ein Prozessor. Das optische Bilderzeugungssystem ist am besten in 2 dargestellt, während der Bild-Feld-Sensor in 2 und in 6 dargestellt ist. Ein Flußdiagramm für die Mikrosteuereinheit ist in 5 dargestellt.
Optisches Bilderzeugungssystem
Das optische Bilderzeugungssystem, allgemein bezeichnet mit dem Bezugszeichen 30, wird dazu verwendet, einen vorbestimmten Bereich der Windschutzscheibe 26 auf einen Bild-Feld-Sensor 32 abzubilden, so dass Objekte unter dem geeigneten Abstand der Windschutzscheibe 26 scharf im Fokus an der Bildebene sind, während Objekte unter einem größeren Abstand außerhalb des Fokus liegen und verschmiert sind. Der Bereich der Windschutzscheibe 66, der abgebildet werden muss, muss groß genug sein, so dass die Wahrscheinlichkeit, Regentropfen während Zuständen von relativ leichtem Regen zu empfangen, signifikant ist. Weiterhin muss der abgebildete Bereich der Windschutzscheibe in einem Bereich der Windschutzscheibe liegen, über den durch die Scheibenwischer gewischt wird.
Das optische Bilderzeugungssystem kann eine einzelne, bikonvexe Linse 33, verwendet als eine Abbildungslinse, umfassen. Die Linse 33 kann einen Durchmesser von 6 mm haben; ein vorderer und hinterer Krümmungsradius von 7 mm für jede Oberfläche und eine Mittendicke von 2,5 mm. Die vordere Oberfläche der Linse 33 kann 62 mm von der äußeren Oberfläche der Windschutzscheibe 26 positioniert sein. Die Abbildungslinse 33 kann durch eine mechanische Linsenbefestigung 34 getragen sein, die einen Anschlag 36 von ungefähr 5 mm Durchmesser direkt vor der Linse 33 bildet. Der Bild-Feld-Sensor kann ungefähr 8,55 mm von der hinteren Oberfläche der Linse 33 angeordnet, und, wie dies vorstehend erwähnt ist, leicht mit ungefähr 10° angewinkelt sein.
Weiterhin könnten konzipierte, optische Systeme, für, zum Beispiel, mehrfache Elemente, aspherische Elemente oder defraktive Objekte insbesondere dann verwendet werden, wenn ein kürzerer Abstand von der Windschutzscheibe ein erwünschtes Merkmal ist. Allerdings ist, da die gesammelten Bilder nicht für fotografische Zwecke dienen, eine solche optische Qualität nicht bei der Anwendung für eine automatische Feuchtigkeitserfassung notwendig. Eine einzelne Linse kann auch in Acryl- oder anderen, durchsichtigen Kunststoffen unter relativ niedrigen Kosten eingeformt werden. Verschiedene Firmen, einschließlich Polaroid und Kodak, sind in geformten Hochleistungs-Kunststoff-Optiken spezialisiert.
4 stellt eine Computersimulation der Funktionsweise des Bilderzeugungssystems, dargestellt in 2, dar. Insbesondere ist 4a ein Fleck- bzw. Spot-Diagramm der Abbildung von annähernd parallelen Lichtstrahlen von einem relativ entfernten Objekt auf der optischen Achse auf einer Bildebene. 4b zeigt ein Fleck-Diagramm der Bilderzeugung eines Punkts auf der optischen Achse unter dem Abstand der äußeren Oberfläche der Windschutzscheibe. Unter Vergleich der Fleck-Diagramme der 4a und 4b ist ersichtlich, dass das optische System in der Lage ist, Licht, das von entfernten Objekten ankommt, zu verschmieren bzw. zu verwischen, während Licht von Objekten unter dem Windschutzscheiben-Abstand fokussiert wird.
Gelegentlich könnte, wenn ein Berg hochgefahren wird, das Fahrzeug in einer solchen Art und Weise positioniert werden, dass die Sonne direkt durch die Vorrichtung abgebildet wird. Die strahlungsmäßige Belastung, verursacht durch diese Ausrichtung, kann den Bild-Feld-Sensor 32 über die Zeit beschädigen. Um ein solches Problem zu beseitigen, kann ein Elektro-Chrom-Filter verwendet werden, um temporär das meiste des Sonnenlichts von der Bildebene zu entfernen. Andere optisch-elektronische oder optischmechanische Vorrichtungen könnten auch verwendet werden.
Bild-Feld-Sensor
Der Bild-Feld-Sensor 32 kann ein CMOS-Aktiv-Pixel-Sensor sein. CMOS-Aktiv-Pixel-Sensoren haben sich in neuerer Zeit in der Bilderzeugungstechnologie durchgesetzt, die eine Bilderzeugung unter niedrigen Kosten, hoher Empfindlichkeit auf einem Chip, hergestellt in einem CMOS-Prozess, ermöglichen. Solche CMOS-Aktiv-Pixel-Sensoren besitzen verschiedene Vorteile gegenüber anderen Sensoren, umfassend einen niedrigen Energieverbrauch, populäre CMOS-Herstelltechniken, niedriger Kosten und die Fähigkeit, eine zusätzliche Schaltung auf demselben Chip zu integrieren, variable Auslesefenster und eine variable Lichtintegrationszeit. Solche CMOS-Aktiv-Pixel-Sensoren sind kommzeriell von Photobit LLC, La Cresenta, Californien, erhältlich. Während CMOS-Aktiv-Pixel-Sensoren wesentliche Vorteile haben, sind andere Bild-Feld-Sensoren auch geeignet und dahingehend vorgesehen, innerhalb des Schutzumfanges der vorliegenden Erfindung zu liegen. Die Größe und die Anzahl von Pixeln wird dadurch bestimmt, einen Bereich der Windschutzscheibe, ausreichend groß und genug im Detail, abzubilden, um ausreichend leichten Regen zu erfassen, während die Kosten effektiv verbleiben. Zum Beispiel wird ein Feld mit 64 × 64 aktiven Pixeln, einer 40 μm Pixel-Größe, geeignet einen Bereich von 25 mm × 40 mm auf einer standardmäßigen Windschutzscheibe eines Personenfahrzeugs abbilden.
Verarbeitung und Steuerung
Ein Blockdiagramm der automatischen Feuchtigkeitserfassungsschaltung ist in 6 dargestellt. Wie vorstehend erwähnt ist, wird ein vorbestimmter Bereich der Windschutzscheibe 26 auf einen Bild-Feld-Sensor 32 abgebildet. Die analoge Spannung jeder der Pixel innerhalb des Sensors 32 wird zu einem digitalisierten Grau-Skala-Wert mittels eines Analog-digital-Wandlers umgewandelt. Der Analog-Digital-Wandler 35 wird unter der Steuerung einer Zeitabstimmungs- und Steuerschaltung 37 betrieben, die wiederum durch eine Mikrosteuereinheit 38 gesteuert wird. Die Zeitabstimmungs- und Steuerschaltung 37 ist im Detail in der US-Patentanmeldung Serial Nr. 933,210 mit dem Titel „Control Circuit For Image Array Sensors" von Jon Bechtel und Joseph Stam beschrieben. Eine geeignete Mikrosteuereinheit 38 ist ein Typ Motorola 68HC08XL36. Allerdings ist es allgemein bekannt, dass solche Mikrosteuereinheiten keinen ausreichenden Random Access Memory (RAM) enthalten, um ein gesamtes Bild von einem Bild-Feld-Sensor mit 50 × 50 Pixeln zu speichern. In einer solchen Situation kann das Merkmal der Fensterbildung der CMOS-Bild-Feld-Sensoren verwendet werden, um alternativ unterschiedliche Bereiche einer Größe, klein genug für einen vorhandenen RAM der Mikrosteuereinheit 38, abzubilden und zu verarbeiten.
Wie vorstehend diskutiert ist, analysiert das System die digitalisierten Grau-Skalen-Werte hinsichtlich scharfer Kanten, die jeweils für Regentropfen oder eine andere Feuchtigkeit repräsentativ sind, durch Analysieren der räumlichen Hochfrequenzkomponenten. Die Größe der räumlichen Hochfrequenzkomponenten wird dazu verwendet, eine Steuereinheit 40 für einen Windschutzscheiben-Scheibenwischermotor zu steuern, so dass die Frequenz eines Wischens mit den Windschutzscheiben-Scheibenwischerblättern (d. h. Zeitintervall zwischen Wischvorgängen) als eine Funktion der Menge einer Feuchtigkeit auf der Windschutzscheibe kontrolliert wird. Wie in weiterem Detail nachfolgend diskutiert werden wird, ist das System auch in der Lage, den Beschlag auf der Innenseite und der Außenseite der Windschutzscheibe zu erfassen. Demzufolge kann die Mikrosteuereinheit 38 auch dazu verwendet werden, automatisch das Fahrzeug-Enteisungs- bzw. Defrosteroder Antibeschlagsystem 42 zu steuern. Um eine Selektivität eines Systems zu erzielen, kann eine Fahrer-EIN/AUS-Sensitivitäts-Steuerschaltung 44 vorgesehen werden. Diese Steuerschaltung 44 kann in besonderen Fällen zum Beispiel dann verwendet werden, wenn sich das Fahrzeug in einer automatischen Fahrzeugwaschanlage befindet, um einen ungewollten Betrieb des Systems zu verhindern.
Wenn einmal ein Bild durch den Bild-Feld-Sensor 32 erhalten ist, wird die Luminiszens jedes Pixels, dargestellt durch eine analoge Spannung, in einen digitalen Grau-Skalen-Wert durch den Analog-Digital-Wandler 35 umgewandelt. Diese Werte werden in einen Speicher hineingeschrieben, der sich innerhalb der Mikrosteuereinheit 38 befinden kann, und werden durch die Mikrosteuereinheit 38 oder alternativ durch einen digitalen Signalprozessor verarbeitet.
Regen wird durch Quantifizieren der Diskontinuität, die sich von den scharfen Kanten der Regentropfen auf der Windschutzscheibe ergeben, erfasst. Diese scharfen Kanten werden durch das fokussierte Bild des Regens oder eines anderen Feuchtigkeitströpfchens zusammen mit der zufälligen, optischen Bilderzeugung von Fernfeldobjekten durch die Tröpfchen oder andere Feuchtigkeit verursacht. Wie in „Digital Image Processing" von R. C. Gonolez und R. E. Woods, Addison-Wesely 1992, diskutiert ist, können die Bilder im Hinblick auf deren räumliche Frequenz-Zusammensetzung analysiert werden. Die räumliche Frequenz-Zusammensetzungs-Analyse ist analog zu einer Fourier-Analyse, herkömmlich in sowohl einer digitalen als auch einer analogen Signalverarbeitung verwendet. Das Verfahren, eine Fourier-Transformation eines Signals vorzunehmen und deren Frequenzzusammensetzung zu bestimmen, kann leicht auf zweidimensionale Signale angewandt werden. Wenn das zweidimensionale Signal ein Bild ist, ist es üblich, den Ausdruck „räumliche Frequenz" zu verwenden. Die räumliche Frequenz-Zusammensetzung eines Bilds kann unter Verwendung einer zweidimensionalen Fourier-Transformation des Bilds evaluiert werden. Die Transformation ist gegeben durch Gleichung (1) wie folgt:
wobei: f (x, y) ist der Wert des Pixels in dem originalen Bild, angeordnet an einem Pixel x, y; F (ω_x, ω_y) ist der Wert der Fourier-Transformation des Bilds an einer Pixel-Stelle ω_x, ω_y; j ist die komplexe Zahl √–1.
Gleichung (1) beschreibt die Fourier-Transformation für kontinuierliche, infinite, zweidimensionale Signale. Diese Funktion kann leicht auf diskrete, finite, zweidimensionale Signale angewandt werden, die sich aus digitalen Bildern ergeben. Unter Anwenden von Techniken für die räumliche Frequenzanalyse können die groben Kanten oder "die Rauhigkeit" eines Bilds relativ akkurat quantifiziert werden. Zum Beispiel kann eine Fourier-Transformation in Bezug auf ein sehr verwischtes bzw. verschmiertes Bild durchgeführt werden. Bei einer solchen Analyse wird der Wert von F (ω_x, ω_y) für geringe Größen von ω der räumlichen Frequenzen ω_x, ω_y hoch sein, während der Wert von F (ω_x, ω_y) bei hohen Größen von ω_x, ω_y niedrig sein wird. Der Wert von F (ω_x, ω_y), wobei ω_x, ω_y beide 0 sind, ist immer der durchschnittliche Grau-Skalen-Wert des Bilds.
Alternativ wird eine Fourier-Analyse eines scharf fokussierten Bilds mit vielen Kanten zu den Werten von F (ω_x, ω_y) für große Großen von ω_x, ω_y dahingehend führen, dass sie hoch sind. Ein digitaler Filter kann dazu verwendet werden, bestimmte, räumliche Frequenzbereiche auszuwählen. Eine relativ einfache Umsetzung eines solchen Filters für eine Bildverarbeitung verwendet eine 3 × 3 Matrix, zugeführt zu einer 3 × 3 Pixel Nachbarschaft, wie dies nachfolgend dargestellt ist:
Ein neues Bild g(x, y) kann gebildet werden, dass das sich ergebende Bild einer Anwendung des Filters auf das momentane Bild ist. Das Bild kann in einer Schleifenform für jedes Pixel mit einem Wert von f(x, y) an einer Stelle, definiert durch die Variablen x und y, verarbeitet werden. In der vorstehenden Matrix entspricht die Stelle des Koeffizienten E dem momentanen Pixel bei x und y. Das Pixel an der Stelle x und y in dem neuen Bild besitzt einen Wert, gegeben durch die Gleichung (2) nachfolgend: (2) g(x, y) = A·f(x – 1, y – 1) + B·f(x, y – 1) + C·f(x + 1, y – 1) + D·f(x – 1, y) + E·f(x, y) + F·f(x + 1, y) + G·f(x – 1, y + 1) + H·f(x, y + 1) + I f(x + 1, y + 1).
Ein spezieller Filter, der herkömmlich verwendet wird, ist als ein Laplace-Filter. Laplace ist die Ableitung zweiter Ordnung einer zweidimensionalen Funktion f(x, y), gegeben durch die Gleichung (3):
Diese Laplace-Funktion kann in einem diskretem Raum unter Verwendung der 3 × 3 Matrix, beschrieben vorstehend, mit den Koeffizienten wie folgt ausgeführt werden: E = 4; B, D, F & H = –1, und der Rest der Koeffizienten ist 0. Andere Koeffizienten-Kombinationen können auch verwendet werden, um Variationen der diskreten Laplace-Funktion zu berechnen, solange wie der Koeffizient E positiv ist und der Rest negativ ist, und dass die Summe aller Koeffizienten Null ist. Das räumliche Frequenz-Ansprechverhalten irgendeines 3 × 3 Filters wird durch Gleichung (4) nachfolgend beschrieben:
wobei:
H(ω_x, ω_y) ist das Frequenz-Ansprechverhalten des Filters für Frequenzen (ω_x, ω_y); die Funktion h(m, n) beschreibt die Koeffizienten der Matrix vorstehend; der Koeffizient E ist der Wert von h(0, 0), A ist der Wert von h(–1, –1), usw.; j ist die komplexe Zahlwurzel √–1.
Durch Analysieren des Frequenz-Ansprechverhaltens des diskreten 3 × 3 Laplace-Filters unter Verwendung von Gleichung (4) ist ersichtlich, dass der diskrete 3 × 3 Laplace-Filter ein Hochpassfilter ist. Durch Modifizieren der Koeffizienten kann das bestimmte Ansprechverhalten des Filters eingestellt werden. Zusätzlich kann ein 5 × 5 oder größerer Filter für eine noch feinere Steuerung hinsichtlich des Ansprechverhaltens verwendet werden.
Regentropfen und andere Feuchtigkeit kann unter Verwendung eines 3 × 3 Laplace-Filters, der vorstehend beschrieben ist, erfasst werden. Jedes Pixel wird individuell in einer Schleifen-Form und einer Variablen, verwendet dazu, die gesamte Menge an „Feuchtigkeit", die erfasst ist, zu speichern, geprüft. Die Laplace-Funktion für jedes Pixel wird unter Verwendung der Formel g(x, y), beschrieben vorstehend mit dem Laplace-Koeffizienten, berechnet.
Ein Flußdiagramm gemäß der vorliegenden Erfindung ist in 5 dargestellt. Zu Anfang wird im Schritt 46 ein Bild der Windschutzscheibe erhalten. Wie vorstehend erwähnt ist, bildet das optische System gemäß der vorliegenden Erfindung die Szene in einer solchen Art und Weise ab, dass sich bestimmte Objekte außerhalb des Fokus befinden und sich Objekte unter dem Abstand der Windschutzscheibe im Fokus befinden. Demzufolge wird, falls dort keine Feuchtigkeit oder ein anderer Gegenstand auf der Windschutzscheibe vorhanden ist, nur ein verwischtes Bild von entfernten Objekten erfasst werden. Ein verwischtes Bild kann eine relativ niedrige, räumliche Hochfrequenzkomponente haben. Demzufolge wird der Wert der Laplace-Funktion in einer solchen Situation relativ niedrig sein. Falls Regen oder Feuchtigkeit oder eine andere Feuchtigkeit auf der Windschutzscheibe vorhanden ist, werden sich die Tropfen im Fokus befinden und das Bild wird relativ hohe Frequenzkomponenten enthalten. Ungeachtet des Verwischens der entfernten Objekte durch das optische System 30 kann ein ankommender Frontscheinwerfer von anderen Fahrzeugen, die relativ hell sind, zu einer wesentlich hohen, räumlichen Frequenzkomponenten beitragen. Um diese Komponente herauszufiltern, können Pixel, die einen Grau-Skalen-Wert oberhalb des Sättigungs-Niveaus des Analog-Digital-Wandlers haben (d. h. Pixel mit einem Grau-Skalen-Wert bei oder nahe 255), ausgelassen werden.
Im Schritt 48 wird die Laplace-Funktion bzw. -Operation jedes Pixels berechnet und die Ergebnisse werden gespeichert. Genauer gesagt wird, falls die Größe einer Laplace-Funktion oberhalb eines gegebenen Schwellwerts liegt, was eine räumliche Hochfrequenzkomponente groß genug anzeigt, um Regen oder eine andere Feuchtigkeit anzuzeigen, dieser Wert mit den Werten der anderen Pixel aufsummiert, um den gesamten Wert von Regen oder einer anderen Feuchtigkeit anzuzeigen, der gegenüber einem Schwellwert verglichen wird, der ein durch einen Benutzer eingestellter Schwellwert sein kann, wie dies im Schritt 50 angezeigt ist. Wenn die Summe der Laplace-Funktion jeder der Pixel größer als der Schwellwert ist, wie dies im Schritt 52 bestimmt ist, werden die Scheibenwischer im Schritt 54 betätigt. Ansonsten geht das System schleifenmäßig zurück zu Schritt 46 und erlangt ein neues Bild der Windschutzscheibe.
Der Schwellwert, angezeigt im Schritt 52, kann ein festgelegter Schwellwert oder ein variabler Schwellwert sein. In Anwendungen, wo ein variabler Schwellwert verwendet wird, kann der Schwellwert ein durch einen Benutzer eingestellter Schwellwert sein, ausgeführt durch einen Steuerknopf oder einen Gleitschieber mit einem Spannungsausgang. Dieser Spannungsausgang kann dann abgetastet und zu einem digitalen Wert umgewandelt werden, der geeignet für einen Vergleich mit der Summe der Pixel skalliert wird, um die gesamte Menge an Regen anzuzeigen.
Um einen falschen Betrieb des Systems zu verhindern, wird der Betrieb des Scheibenwischerblatts im Schritt 56 erfasst. Insbesondere kann ein kleines Unterfenster des Bild-Feld-Sensors ausgewählt werden, um zu ermöglichen, dass mehr Zyklen pro Sekunde verarbeitet werden, um einen sich relativ schnell bewegenden Scheibenwischer zu erfassen. Ein Bild des Scheibenwischers wird im Schritt 56 erhalten. Jedes Bild wird unter Verwendung von zwei eindimensionalen Hochpassfiltern verarbeitet; einer für die vertikale Richtung und einer für die horizontale Richtung, wie dies im Schritt 58 angegeben ist. Da der Scheibenwischer als eine vertikale Linie in einem Bild erscheinen wird, sollte dabei eine ausreichend höhere Hochfrequenzkomponente in einer horizontalen Richtung als in einer vertikalen Richtung vorhanden sein. Demzufolge kann ein vertikaler Hochpassfilter unter Verwendung einer 3 × 3 Matrix, beschrieben vorstehend, mit dem Koeffizient E auf 2 eingestellt, den Koeffizienten B und H auf –1 eingestellt und mit dem Rest auf Null eingestellt, ausgeführt werden. Ein horizontaler Filter wird mit dem Koeffizienten E auf 2 eingestellt, den Koeffizienten D und F auf –1 eingestellt und mit dem Rest auf Null eingestellt durchgeführt. Die Summe jeder Komponente wird in derselben Art und Weise, wie sie verwendet wird, zugeschnitten, um die Laplace-Funktion, diskutiert vorstehend, zu berechnen. Im Schritt 60 wird das Verhältnis der horizontalen Komponenten zu der vertikalen Komponenten berechnet. Falls die horizontale Komponente viel größer als die vertikale Komponente ist, wird angenommen, dass eine vertikale Linie in dem Bild vorhanden ist, was das Vorhandensein des Scheibenwischers anzeigt.
Falls die Scheibenwischer des Fahrzeugs in einer solchen Art und Weise ausgelegt sind, dass die Scheibenwischer niemals annähernd vertikal sind, wenn sie den Regenerfassungsbereich kreuzen, können die Filter, beschrieben vorstehend, so modifiziert werden, um eine solche Konfiguration anzupassen. Zum Beispiel können verschiedene andere Kanten-Erfassungsverfahren, die ausreichend in der Bildverarbeitung bekannt sind, auch verwendet werden. Zusätzlich kann, wenn die Wischergeschwindigkeit für die Scheibenwischer des Fahrzeugs zu schnell ist, so dass sie leicht in das Bild hinein für die notwendige Belichtungszeit verwischt, der horizontale Filter so modifiziert werden, um die Pixel zwei Positionen nach links und nach rechts von dem momentanen Pixel zu subtrahieren, anstelle davon, die Pixel unmittelbar am nächsten zu dem momentanen Pixel zu subtrahieren.
Nachdem der Wischer aus dem Bilderfassungsbereich herausgelaufen ist, wie dies im Schritt 62 angezeigt ist, wird ein anderes Bild der Windschutzscheibe im Schritt 64 erhalten, für das die Laplace-Funktion berechnet wird. Diese Berechnung wird als eine Nullpunkt-Messung verwendet, die von allen drauffolgenden Messungen substrahiert werden kann, und zwar bis zu dem nächsten Wischvorgang. Auf diese Art und Weise werden räumliche Langzeit-Hochfrequenzkomponenten in dem Bild einer schmutzigen Windschutzscheibe, Risse, Kratzer und gefrorenes Eis nicht zu der erfassten Menge an Regen beitragen.
Falls der Scheibenwischer nicht innerhalb eines gegebenen Zeitrahmens erfasst ist, nimmt das System an, dass eine Fehlfunktion aufgetreten ist, die als Ergebnis davon resultieren kann, dass der Scheibenwischer an der Windschutzscheibe angefroren ist. Während eines solchen Zustands kann der Betrieb des Feuchtigkeitssensors gemäß der vorliegenden Erfindung für eine Zeitperiode ausgesetzt werden, um zu ermöglichen, dass das Eis taut. Falls Außentemperaturinformationen verfügbar sind, können gefrierende Klimabedingungen berücksichtigt werden, um zu entscheiden, ob die Scheibenwischer ausgefallen sind, und zwar aufgrund einer mechanischen Fehlfunktion oder aufgrund von Eis.
Das System ist auch in der Lage, an variierende Licht-Pegel angepasst zu werden. Insbesondere kann, während ausgewählter Zyklen, der durchschnittliche Grau-Skalen-Wert des Bilds berechnet werden. Falls dieser Wert hoch ist, was eine Überbelichtung hinsichtlich von Licht anzeigt, kann die Bildsensor-Integrationszeit in dem folgenden Zyklus auf eine geringere, durchschnittliche Helligkeit reduziert werden. Ähnlich kann, falls der Licht-Pegel niedrig ist, die Integrationszeit erhöht werden. Unter relativ dunklen Bedingungen können einige Bild-Feld-Sensoren nicht in der Lage sein, genug Licht in einer annehmbaren Zeit zu sammeln, um entsprechend Feuchtigkeit, wie beispielsweise Regentropfen, abzubilden. In einer solchen Situation kann eine zusätzliche Beleuchtungseinrichtung vorgesehen werden, um kurz den Bereich, der von Interesse ist, von hinten aus zu beleuchten, während das Bild aufgenommen wird. Falls die Windschutzscheibe des Fahrzeugs nicht hoch absorbierend in Bezug auf infrarote Strahlung ist, kann eine im nahen Infrarot arbeitende Beleuchtungseinrichtung verwendet werden, solange wie die Wellenlängen innerhalb des erfassbaren Bereichs des Bild-Feld-Sensors liegen. Eine Infrarot-Beleuchtungseinrichtung hat den Vorteil, dass sie nicht für das menschliche Auge sichtbar ist und demzufolge nicht den Fahrer ablenkt.
Beschlag-Detektor
Um viele der betriebsmäßigen Nachteile von bekannten Feuchtigkeitserfassungs-Systemen zu beseitigen, umfasst das System gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ein System zum Erfassen eines Beschlags auf der Innenseite und der Außenseite der Windschutzscheibe. Wie in den 2 und 3 dargestellt ist, kann eine lichtemittierende Diode (LED) zum Erfassen eines Beschlags sowohl auf der Innenseite als auch auf der Außenseite einer Fahrzeugwindschutzscheibe 26 verwendet werden. Zwei unterschiedliche Ausführungsformen der Beschlag-Erfassungs-Systeme sind offenbart, wobei beide davon auf der Differenz des Wegs des Lichts von LED 66, reflektiert von der Windschutzscheibe 26, beim Vorhandensein eines Beschlags, beruhen. Eine Beschlag-Erfassung kann in alternierenden Verarbeitungszyklen mit der Regenertassung vorgenommen werden. Insbesondere können viele Zyklen für eine Regen- und Feuchtigkeitserfassung zwischen Beschlag-Erfassungs-Zyklen aufgrund des langsamen Fortschreitens eines Beschlagens der Windschutzscheibe verwendet werden. Zu Beginn der Beschlag-Erfassungs-Zyklen kann ein Bild unter Verwendung eines Fensters, das eine erwartete Stelle der Flecken enthält, erhalten werden.
In einer ersten Ausführungsform kann eine Lichtquelle, die entweder hoch kollimiert oder auf einen Punkt unter dem Abstand der Windschutzscheibe fokussiert ist, verwendet werden. Die Lichtquelle kann entweder infrarotes Licht emittieren oder sichtbares Licht emittieren, und zwar in Abhängigkeit von den Absorptionscharakteristika der Windschutzscheibe. Infrarotquellen sind bevorzugt, da sie nicht für das menschliche Auge sichtbar sind und deshalb keine Ablenkung hervorrufen. Eine Infrarot-LED 66 kann zusammen mit einer Linse 68 einer Fokuslänge gleich zu dem Abstand der Windschutzscheibe verwendet werden, wie dies allgemein in 2 dargestellt ist. Die LED 66 kann ein paar Millimeter oberhalb der optischen Hauptanordnung positioniert und so angewinkelt Nein, dass das projizierte Licht, wie dies in 3 dargestellt ist, auf eine Position der optischen Hauptachse auf der Windschutzscheibe 26 gerichtet ist. Die LED 66 wird zu Anfang abgeschaltet und ein Bild wird aufgenommen. Unmittelbar darauffolgend wird die LED eingeschaltet und ein zweites Bild wird aufgenommen. Die Differenz zwischen diesen Bildern wird für eine Fleck-Erfassung verwendet. Falls kein Beschlag vorhanden ist, wird das Licht von der Windschutzscheibe 66 unter dem Snell-Winkel reflektieren, der es ausreichend außerhalb des Sichtfelds des Bild-Feld-Sensors 32 tragen wird. Falls Beschlag vorhanden ist, wird das Licht durch ein Lambert-Reflexionsvermögen reflektiert werden, was bewirkt, dass der Beschlag als ein kleiner Fleck 70 abgebildet werden wird (3). Aufgrund der Winkel der Windschutzscheibe 26 und der Lichtquelle 66 wird ein außen befindlicher Beschlag einen Fleck 70 niedriger als einen Fleck 72, erzeugt durch einen Beschlag an der Innenfläche der Windschutzscheibe 26, erzeugen. Die Stelle dieser Flecke 70, 72 kann dazu verwendet werden, das Vorhandensein eines inneren und/oder äußeren Beschlags auf der Windschutzscheibe 26 darzustellen. Falls ein Beschlag auf der Innenseite der Windschutzscheibe vorhanden ist, wird eine Erfassung des außenseitiger Beschlags nicht möglich sein. Allerdings ist diese Einschränkung von keiner Konsequenz, da eine Sicht in irgendeiner Weise beeinträchtigt würde. Das Nachfolgende ist eine Wahrheits-Tabelle, die die Schlussfolgerungen anzeigt, die aus dem Vorhandensein jedes Flecks gezogen werden:
In einer alternativen Ausführungsform wird eine Infrarot- oder, falls notwendig, eine sichtbare LED verwendet. Die LED muss entweder relativ klein sein oder sie muss in Verbindung mit einem Stiftloch verwendet werden und so ausgerichtet sein, dass das Licht von der LED von der Windschutzscheibe 26 weg und auf einen Bild-Feld-Sensor unter dem Snell-Winkel reflektiert. In einer solchen Konfiguration werden zwei Reflexionen auftreten: eine weg von der Innenseite der Windschutzscheibe und eine von der äußeren Oberfläche der Windschutzscheibe durch eine Spiegelreflektion. In dieser Ausführungsform werden, falls kein Beschlag vorhanden ist, die Flecke unter dem Snell-Winkel reflektiert werden und sind durch den Bild-Feld-Sensor sichtbar. Falls dabei ein Beschlag auf der Außenfläche der Windschutzscheibe 26 vorhanden ist, wird der Fleck von der Innenseiten-Reflexion vorhanden sein, allerdings wird der Fleck von der Außenseiten-Reflexion verwischt sein. Das Differenz-Bild wird für den Innenseiten-Beschlag analysiert. Zu Anfang wird ein 3 × 3 Laplace-Filter verwendet, um ein neues Bild zu erzeugen, dass nur die Hochfrequenzkomponenten des Original-Bilds enthält. Auf diese Art und Weise wird die verwischte Reflexion von dem Beschlag beleuchtet. Die Flecke werden durch Heranziehen des maximalen Werts einer Gruppe von Pixeln in dem erwarteten Bereich jedes Flecks erfasst. Eine Gruppe, leicht größer als die erwartete Größe des Flecks, kann verwendet werden, um leichte Fehlausrichtungen zu korrigieren und für die Tatsache, dass die Laplace-Funktion nur die Kanten der Flecke bewahren wird, wo die Hochfrequenzkomponenten vorhanden sind. Auch kann ein leichter Beschlag bewirken, dass der Fleck anwächst, allerdings keine Aktion erforderlich ist. Für jeden Fleck wird, falls der Wert an nehmbar größer als Null ist, bestimmt, dass er vorhanden ist. Die nachfolgende Wahrheits-Tabelle zeigt die Erfassung des Beschlags für die alternative Ausführungsform an.
Falls der äußere Beschlag erfasst ist, können die Scheibenwischer betätigt werden, um dabei zu unterstützen, den Beschlag zu enffernen, oder, falls es erwünscht ist, kann ein Warn-Licht verwendet werden, um diesen Zustand dem Fahrer anzuzeigen. Eine Erfassung des inneren Beschlags kann dazu verwendet werden, um automatisch den Fahrzeug-Defroster oder das Enteisungssystem zu betätigen, um zu verhindern, dass der Fahrer wartet, bis sich der ausreichende Beschlag entwickelt hat. Speziellere Verarbeitungsverfahren können ein Bestimmen der Größe des Flecks durch Berechnen des Abstands zwischen den horizontalen Kanten des Flecks umfassen, und um so eine Messung der Menge des Beschlags auf der Windschutzscheibe zu haben, die mit einem Schwellwert verglichen werden kann.
Es ist offensichtlich, dass viele Modifikationen und Variationen der vorliegenden Erfindung im Hinblick auf die vorstehenden Lehren möglich sind. Demzufolge sollte verständlich werden, dass, innerhalb des Schutzumfangs der beigefügten Ansprüche, die Erfindung in anderer Weise ausgeführt werden kann, als dies speziell vorstehend beschrieben ist.

Claims

System zum Erfassen von Feuchtigkeit auf einer Oberfläche (70, 72), das umfasst: einen Bildfeldsensor (32); ein optisches System (33), das so arbeitet, dass es Lichtstrahlen von wenigstens einem Teil der Oberfläche auf den Bildfeldsensor (32) fokussiert; und einen Prozessor (38), der in Verbindung mit dem Bildfeldsensor (32) steht, wobei der Prozessor so arbeitet, dass er die Ränder von Feuchtigkeit erfasst, so dass ein Signal auf Basis der erfassten Ränder erzeugt werden kann.
System nach Anspruch 1, wobei die Oberfläche ein Fahrzeugfenster (26) umfasst und wobei das System nicht optisch mit dem Fenster gekoppelt ist.
System nach Anspruch 1, wobei das System des Weiteren ein elektrochromes Fenster umfasst, das zwischen der Oberfläche (70, 72) und dem optischen System (33) angeordnet ist, und das elektrochrome Fenster so arbeitet, dass es die Menge an Licht verringert, die auf den Bildfeldsensor (32) auftrifft.
System nach Anspruch 1, wobei der Bildfeldsensor (32) einen CMOS-Aktiv-Pixelsensor umfasst.
System nach Anspruch 1, wobei der Bildfeldsensor (32) eine Vielzahl von Pixelsensoren umfasst, die so arbeiten, dass sie ein Signal erzeugen, das eine Pixel-Leuchtstärke anzeigt.
System nach Anspruch 5, wobei der Prozessor (38) so betrieben werden kann, dass er eine räumliche Bildzusammensetzung durch digitales Hochpassfiltern einer Gruppe von Graustufenwerten bestimmt.
System nach Anspruch 6, wobei digitales Hochpassfiltern unter Verwendung eines Laplace-Filters erreicht wird.
System nach Anspruch 1, wobei das System des Weiteren eine Beleuchtungseinrichtung (66) zum Beleuchten des abgebildeten Teils der Oberfläche (70, 72) enthält.
System nach Anspruch 1, wobei der Teil der Oberfläche den Weg eines Scheibenwischers einschließt und der Prozessor (38) des Weiteren so betrieben werden kann, dass er unter Verwendung der bestimmten räumlichen Zusammensetzung feststellt, ob sich der Wischer in dem Teil der Oberfläche befindet.
System nach Anspruch 9, wobei das System des Weiteren eine Antriebs-An/Aus-Empfindlichkeitssteuerung (44) umfasst, die mit dem Prozessor (38) in Verbindung steht.
System nach Anspruch 1, wobei das System des Weiteren eine Lichtquelle (66) umfasst, die mit dem Prozessor (38) in Verbindung steht, um einen Lichtpunkt auf den abgebildeten Teil der Oberfläche zu projizieren, die mit dem Prozessor (38) in Verbindung steht, wobei der Prozessor (38) des Weiteren so betrieben werden kann, dass er: die Lichtquelle anschaltet, ein erstes Bild der Oberfläche bei angeschalteter Lichtquelle gewinnt, die Lichtquelle abschaltet, ein zweites Bild der Oberfläche bei abgeschalteter Lichtquelle gewinnt, und unter Verwendung des ersten Bildes und des zweiten Bildes feststellt, ob Feuchtigkeit auf der Oberfläche vorhanden ist.
System nach Anspruch 11, wobei die Feuchtigkeit Nebel oder Reif umfasst.
System nach Anspruch 11, wobei die Lichtquelle (66) so angeordnet ist, dass, wenn Feuchtigkeit auf der Oberfläche (70, 72) vorhanden ist, der Lichtpunkt in das Sehfeld des Bildfeldsensors (32) reflektiert wird.
System nach Anspruch 11, wobei die Lichtquelle (66) so angeordnet ist, dass, wenn keine Feuchtigkeit auf der Oberfläche (70, 72) vorhanden ist, der Lichtpunkt in das Sehfeld des Bildfeldsensors (32) reflektiert wird.
System nach Anspruch 11, wobei die Oberfläche ein Fenster (26) umfasst und das Fenster (26) eine Innenseite (72) sowie eine Außenseite (70) aufweist und die Lichtquelle (66) so angeordnet ist, dass sich der von der Innenseite (72) in das Sehfeld des Bildfeldsensors (32) reflektierte Lichtpunkt an einer anderen Position auf dem Bildfeldsensor (32) als der von der Außenseite (70) reflektierte Lichtpunkt befindet, wobei der Prozessor (38) des Weiteren so arbeitet, dass er die Position von Feuchtigkeit auf der Innenseite (72) oder der Außenseite (70) anhand der Position des reflektierten Lichtpunktes im Ausgang des Bildfeldsensors (32) bestimmt.
System nach Anspruch 11, wobei der Prozessor (38) des Weiteren so arbeitet, dass er ein gefiltertes Bild erzeugt, das Hochfrequenzkomponenten des Ausgangs des Bildfeldsensors (32) enthält.
System nach Anspruch 11, wobei die Lichtquelle (66) eine sichtbares Licht emittierende Diode umfasst.
System nach Anspruch 11, wobei die Lichtquelle (66) eine infrarotes Licht emittierende Diode umfasst.
System nach Anspruch 11, wobei die Oberfläche (70, 72) ein Fenster (26) eines Fahrzeugs ist, das eine Einrichtung (42) zum Beseitigen von Reif oder Nebel von der Oberfläche (70, 72) aufweist, wobei das System des Weiteren eine Steuerung umfasst, die mit dem Prozessor (38) und der Beseitigungseinrichtung (42) in Verbindung steht, und der Prozessor (38) des Weiteren so arbeitet, dass er die Feuch tigkeitsbeseitigungseinrichtung auf Grundlage des festgestellten Vorhandenseins von Feuchtigkeit an dem Fenster (26) steuert.
System nach Anspruch 1, wobei der Prozessor (38) abwechselnd die Bilder von verschiedenen Teilfenstern des Bildfeldsensors (32) verarbeitet, wobei die Teilfenster kleiner sind als der Bildfeldsensor (32).
System nach Anspruch 1, wobei der Prozessor während eines Abtastintervalls Pixelinformationen lediglich von einem Teilfenster des Bildfeldsensors (32) empfängt.
System nach Anspruch 21, wobei der Prozessor (38) einen Speicher enthält und der Speicher Pixelinformationen speichert, die mit dem empfangenen Teilfenster des Bildfeldsensors (32) zusammenhängen.
System nach Anspruch 22, wobei der Speicher weniger Kapazität hat als für das Speichern von Pixelinformationen für den gesamten Bildfeldsensor (32) erforderlich ist.
System nach Anspruch 1, wobei der Bildfeldsensor (32) Fenstertechnik enthält, um abwechselnd unterschiedliche Bereiche des Bildfeldsensors (32) abzubilden, die kleiner sind als der gesamte Abbildungsbereich des Bildfeldsensors (32).
System nach Anspruch 1, wobei der Prozessor (38) die räumliche Zusammensetzung durch Erfassen von Rändern bestimmt.
System nach Anspruch 25, wobei der Prozessor (38) die räumliche Zusammensetzung durch Erfassen der Raum-Hochffrequenzkomponenten bestimmt.
System nach Anspruch 1, wobei der Bildfeldsensor (32) zu der Oberfläche (70, 72) hin abgeschrägt ist und ein Ende des Bildfeldsensors (32) näher an der Oberfläche (70, 72) angeordnet ist als ein anderes Ende des Bildfeldsensors (32).
System nach Anspruch 1, wobei die Empfindlichkeit des Bildfeldsensors (32) bei starkem Umgebungslicht verringert und bei geringem Umgebungslicht erhöht wird.
System nach Anspruch 28, wobei die Empfindlichkeit des Bildfeldsensors (32) verändert wird, indem ein Integrationsintervall für Pixel in dem Bildfeldsensor (32) verändert wird.
System nach Anspruch 28, wobei eine Umgebungslichtmessung als Funktion der Graustufenwerte wenigstens eines Teils der Pixel durchgeführt wird.
System nach Anspruch 30, wobei die Umgebungslichtmessung eine Funktion des durchschnittlichen Graustufenwertes wenigstens eines Teils der Pixel ist.
System nach Anspruch 1, wobei der Bildfeldsensor (32) ein Bildfeldsensor (32) niedriger Auflösung mit einer Vielzahl von Pixeln ist.
System nach Anspruch 32, wobei der Bildfeldsensor (32) weniger als ungefähr 64 Reihen von Pixeln enthält.
System nach Anspruch 32, wobei der Bildfeldsensor (32) weniger als ungefähr 64 Spalten von Pixeln enthält.
System nach Anspruch 32, wobei der Bildfeldsensor (32) ein Pixelfeld umfasst, das ungefähr 50 bis 64 Reihen und Spalten von Pixeln enthält.
System nach Anspruch 32, wobei die Fläche, die von dem Bildfeldsensor (32) abgebildet wird, weniger als ungefähr 1000 mm² beträgt.
System nach Anspruch 32, wobei das Verhältnis der Anzahl von Pixeln zu der abgebildeten Fläche in Quadratmetern ungefähr 4 zu 1 beträgt.
System nach Anspruch 32, wobei der Bildfeldsensor (32) ungefähr 40 mm Pixel enthält.
System nach Anspruch 32, wobei das Verhältnis der Größe der Pixel in μm zu der abgebildeten Fläche in Quadratmetern ungefähr 40 zu 1 beträgt.
System nach Anspruch 8, wobei der Prozessor (38) die Beleuchtungseinrichtung so steuert, dass sie bei geringem Umgebungslicht angeschaltet wird.
System nach Anspruch 40, wobei die zusätzliche Beleuchtungsquelle für einen aktuellen Zyklus angeschaltet wird, wenn eine gemessene Lichtstärke in einem vorangegangenen Zyklus unter einem Schwellenwert liegt.
System nach Anspruch 41, wobei die gemessene Lichtstärke die durchschnittliche Stärke von Pixeln in wenigstens einem Teil des Bildfeldsensors (32) in einem vorangegangenen Zyklus ist.
System nach Anspruch 40, wobei die Beleuchtungseinrichtung Licht in sichtbaren Wellenlängen erzeugt.
System nach Anspruch 40, wobei die Beleuchtungseinrichtung Licht in Infrarot-Wellenlängen erzeugt.
System nach Anspruch 1, wobei der Prozessor (38) des Weiteren so arbeitet, dass er Langzeit-Raumkomponenten auf der abgebildeten Oberfläche unterscheidet.
System nach Anspruch 45, wobei der Prozessor (38) Langzeitkomponenten subtrahiert, wenn ein Bild analysiert wird, um Feuchtigkeit zu erfassen.
System nach Anspruch 1, wobei der Prozessor (38) Pixel in dem Bildfeldsensor (32) ignoriert, die einen Graustufenwert über einem Schwellenwert aufweisen.
System nach Anspruch 47, wobei der Prozessor (38) einen Analog-Digital-Wandler (35) zum Umwandeln von Pixelwerten in digitale Signale enthält.
System nach Anspruch 49, wobei der Schwellenwert der Sättigungspegel des Analog-Digital-Wandlers (35) ist.
System nach Anspruch 21, wobei der Prozessor (38) ein Teilfenster des Bildfeldsensors (38) häufiger als andere Teile des Bildfeldsensors (32) analysiert, um einen Zustand zu überwachen.
System nach Anspruch 1, der des Weiteren ein Wischersystem enthält, wobei der Prozessor (38) Beseitigung von Feuchtigkeit nach Betätigung des Feuchtigkeitsbeseitigungssystems umfasst.
System nach Anspruch 51, wobei der Prozessor (38) den Durchgang eines Wischers innerhalb eines Zeitraums nach der Betätigung des Feuchtigkeitsbeseitigungssystems überwacht.
System nach Anspruch 52, wobei der Prozessor (38) das Verhältnis der vertikalen Komponente eines Bildes zu der horizontalen Komponente des Bildes überwacht.
System nach Anspruch 53, wobei der Prozessor (38) den Scheibenwischer erfasst, wenn die horizontale Komponente erheblich größer ist als die vertikale Komponenten.
System nach Anspruch 1, das des Weiteren eine Rückspiegelbaugruppe enthält, die so eingerichtet ist, dass sie an einem Fahrzeug angebracht wird, wobei der Bildfeldsensor (32) von der Rückspiegelbaugruppe getragen wird.
System nach Anspruch 1, das des Weiteren eine Rückspiegelbaugruppe enthält, die so eingerichtet ist, dass sie an einem Fahrzeug angebracht wird, wobei wenigstens ein Teil des Prozessors (38) von der Rückspiegelbaugruppe getragen wird.
System nach Anspruch 1, wobei die Oberfläche (70, 72) eine Windschutzscheibe eines Fahrzeugs mit Scheibenwischern ist und der Prozessor (38) des Weiteren so arbeitet, dass er Betrieb eines Scheibenwischers erfasst und ein Grundbild der Windschutzscheibe gewinnt, unmittelbar nachdem sie mit dem Scheibenwischer gewischt worden ist, und der Prozessor (38) das Grundbild nutzt, um Feuchtigkeit von Insekten, Sprüngen, Schmutz und anderen Rückständen auf der Windschutzscheibe zu unterscheiden.
System nach Anspruch 1, wobei der Bildfeldsensor (32) in einem Fahrzeug so angebracht ist, dass eine Abbildungsfläche des Bildfeldsensors (32) in Bezug auf die Vertikale geneigt ist.
System nach Anspruch 1, wobei die Oberfläche (70, 72) eine Windschutzscheibe eines Fahrzeugs mit Scheibenwischern ist und der Prozessor (38) eine Raumfrequenzkomponente der Feuchtigkeit auf der Windschutzscheibe bestimmt und Steuersignale zum Steuern der Zeitintervalle erzeugt, in denen die Scheibenwischer aktiviert werden.
System nach Anspruch 1, wobei der Prozessor (38) Bilder von dem Bildfeldsensor (32) analysiert, um das Vorhandensein eines Scheibenwischers zu erfassen, der sich über den abgebildeten Teil der Oberfläche (70, 72) bewegt.
Verfahren zum Erfassen von Feuchtigkeit auf einer Oberfläche (70, 72), das umfasst: Gewinnen eines Bildes eines Teils der Oberfläche (70, 72), wobei das Bild Objekte auf der Oberfläche (70, 72) im Fokus hat; Erzeugen eines Signals, das dem gewonnenen Bild entspricht; Bestimmen von Randinformationen der Objekte auf der Oberfläche (70, 72); und unter Verwendung der Randinformationen Feststellen, ob Feuchtigkeit auf der Oberfläche (70, 72) vorhanden ist.
Verfahren nach Anspruch 61, wobei das Erzeugen des Signals das Digitalisieren des gewonnenen Bildes umfasst.
Verfahren nach Anspruch 61, das des Weiteren umfasst: Feststellen, ob eine Strahlungslast über einem Schwellenwert abgebildet wird; und vorübergehendes Verringern der Strahlungslast über dem Schwellenwert in dem Bild.
Verfahren nach Anspruch 61, das des Weiteren umfasst: Bestimmen der von einem Bildfeldsensor (32) mit einer veränderlichen Lichtintegrationszeit integrierten Lichtmenge; und Steuern der veränderlichen Integrationszeit des Bildfeldsensors (32) auf Basis der bestimmten Menge an integriertem Licht.
Verfahren nach Anspruch 61, wobei Bestimmen des Randes Bestimmen von Raum-Hochfrequenzkomponenten des digitalisierten Signals unter Verwendung von digitalem Hochpassfiltern des digitalisierten Signals umfasst.
Verfahren nach Anspruch 61, wobei das digitale Hochpassfiltern unter Einsatz von Laplace-Filtern erreicht wird.
Verfahren nach Anspruch 61, das des Weiteren das Beleuchten des abgebildeten Teils der Oberfläche (70, 72) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 61, wobei das Fahrzeug einen Wischer zum Wischen der Oberfläche auf einem Weg enthält und der abgebildete Teil der Oberfläche den Weg des Wischers einschließt, wobei das Verfahren des Weiteren das Erfassen des Vorhandenseins des Wischers in dem abgebildeten Abschnitt der Oberfläche umfasst.
Verfahren nach Anspruch 68, wobei das Erfassen des Vorhandenseins des Wischers das Feststellen, ob eine Vielzahl von Hochfrequenzkomponenten in der Richtung der Wischerbewegung durch den abgebildeten Teil der Oberfläche größer sind als eine Vielzahl von Hochfrequenzkomponenten in einer Richtung senkrecht zur Richtung der Wischerbewegung durch den abgebildeten Abschnitt der Oberfläche, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 69, das des Weiteren das Steuern der Geschwindigkeit des Wischers auf Basis des bestimmten Signals umfasst, das für Feuchtigkeit steht.
Verfahren nach Anspruch 70, das des Weiteren das Verhindern weiteren Betriebs des Wischers umfasst, wenn der Wischer nicht innerhalb eines Zeitrahmens ertasst worden ist.
Verfahren nach Anspruch 61, das des Weiteren die folgenden Schritte einschließt: Erfassen eines Betätigungssignals für das Wischsystem; und Erzeugen einer Ausgangs-Bezugsmessung der räumlichen Zusammensetzung auf der Oberfläche (70, 72) in Reaktion auf die Analyse eines Bildes, das nach Betätigung des Wischsystems gemacht wurde.
Verfahren nach Anspruch 72, das des Weiteren den Schritt des Erzeugens einer neuen Ausgangs-Bezugsmessung nach jedem Betätigungssignal für das Wischersystem einschließt.
Verfahren nach Anspruch 72, das des Weiteren den Schritt des Subtrahierens der Ausgangs-Bezugsmessung von wenigstens einem zukünftigen Bild zum Erfassen einer Veränderung der räumlichen Zusammensetzung auf der Oberfläche (70, 72) aufgrund von Feuchtigkeit einschließt.