DE4444223A1 - Sensor zur Erfassung von Bewegungen eines Fahrzeugs relativ zu einer Bezugsfläche - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Erfassung von Bewegungen eines Fahrzeugs relativ zu einer Bezugsfläche nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Derartige Sensoren dienen insbesondere zur Erfassung der Bewegung eines Landfahrzeuges, wobei die zurückgelegte Wegstrecke, die Geschwindigkeit und die Richtung des Fahrzeugs ermittelt werden können. Die Ermittlung der Bewegungsdaten beruht auf einem seit langem bekannten korrelationsoptischen Verfahren.

Aus der DE-32 29 343 A1 ist ein Sensor zur Erfassung von Bewegungen relativ zu einer Bezugsfläche für Fahrzeuge bekannt, bei dem der jeweils erfaßte Teil der Bezugs­ fläche auf eine Gitterebene abgebildet und über Photoemp­ fänger erfaßt wird. Hierbei ist die Gitterstruktur der Gitterebene als streifen- oder matrixförmig angeordnete Photoempfänger ausgebildet.

Aufgrund der statistischen Struktur der Oberfläche der Bezugsfläche, wie sie beispielsweise bei einem Straßenbe­ lag für ein Landfahrzeug gegeben ist, wird nach deren Abbildung auf die gitterartig angeordneten Photoempfänger in diesen ein elektrisches Signal erzeugt, welches neben niederfrequenten Anteilen eine Modulation aufweist, deren Frequenz direkt proportional zur Geschwindigkeit des Fahrzeugs ist. Neben der Frequenz ist der Abbildungsmaß­ stab des optischen Systems, der zur Geschwindigkeit umgekehrt proportional ist, eine weitere bestimmende Größe für die Erfassung der Geschwindigkeit, sowie die Gitterkonstante, welche zur Geschwindigkeit direkt proportional ist.

Nachteilig bei dem bekannten Sensor ist, daß er aufgrund der streifen- oder matrixförmigen Anordnung seiner Photoelemente, welche das Gitter bilden, in Abhängigkeit von dem Abbildungsmaßstab des optischen Systems nur für bestimmte Oberflächenstrukturen der Bezugsfläche oder für bestimmte Geschwindigkeiten des Fahrzeugs einen störungs­ freien Betrieb gewährleistet.

Ein störungsfreier Betrieb ist im wesentlichen immer dann gegeben, wenn die auf das Gitter abgebildete Oberflächen­ struktur der Bezugsfläche (Ortswellenlänge) mit der Anordnung der Photoempfänger, oder mit anderen Worten mit der Gitterkonstanten des Gitters, korreliert. Weicht beispielsweise die auf das Gitter abgebildete Ober­ flächenstruktur der Bezugsfläche und die ihr zuzuordnende "Gitterkonstante" stark von der durch das Photoempfänger­ array vorgegebenen Gitterkonstanten ab, so kann die Erfassung der Geschwindigkeit des Fahrzeugs nur schlecht oder überhaupt nicht möglich sein. Störungen können sich auch bei einem sehr schnell oder sehr langsam bewegten Fahrzeug ergeben, da durch die aufbaubedingte vorgegebene Gitterkonstante lediglich ein Geschwindigkeitsbereich sicher erfaßt werden kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, die geschilderten Nachteile zu beseitigen und einen Sensor zu vermitteln, der unabhängig von der Beschaffenheit der Oberfläche der Bezugsfläche (Ortswellenlänge) oder der Geschwindigkeit des Fahrzeugs relativ zur Bezugsfläche eine sichere Erfassung des zurückgelegten Weges, der Geschwindigkeit und gegebenenfalls der Bewegungsrichtung des Fahrzeugs ermöglicht.

Die Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Sensor zur Erfassung von Bewegungen eines Fahrzeugs relativ zu einer Bezugsfläche erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Durch eine Änderung der Gitterkonstanten des Gitters ist es insbesondere vorteilhafterweise möglich, eine genaue Erfassung der Bewegungsdaten des Fahrzeugs bei einem durch den Aufbau vorgegebenen Abbildungsmaßstab un­ abhängig von der Beschaffenheit der Oberfläche der Bezugsfläche oder von der Geschwindigkeit des Fahrzeugs sicher zu gewährleisten.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Vorteilhaft ist es insbesondere, daß das Gitter zur Erfassung der Bewegung des Fahrzeugs simultan mit mehreren, unterschiedlichen Gitterkonstanten betreibbar ist. Hierdurch ist eine Erfassung der Bewegungsdaten des Fahrzeugs vermittels eines einzigen Photoempfängerarrays mit Gittern unterschiedlicher Gitterkonstanten möglich. Die dabei aufgrund der unterschiedlichen Gitterkonstanten gewonnenen Bewegungsdaten des Fahrzeugs können dann mittels eines Computers entweder verglichen, gemittelt oder in sonstiger Weise verarbeitet werden. Durch die simultane Erfassung der Bewegungsdaten des Fahrzeugs mit Gittern unterschiedlicher Gitterkonstanten, welche mittels eines einzigen Photoempfängerarrays möglich ist, können Störeinflüsse aufgrund der Oberflächenbeschaffen­ heit der Bezugsfläche (Ortswellenlänge) oder aufgrund einer beispielsweise sehr hohen oder sehr niedrigen Geschwindigkeit des bewegten Fahrzeugs weitestgehend vermieden werden, da immer ein Gitter mit einer zur Erfassung der Bewegungsdaten des Fahrzeuges optimalen Gitterkonstanten vorhanden ist.

Zur Änderung der Gitterkonstanten werden in unterschied­ lichen Schaltungsanordnungen vorteilhafterweise jeweils mehrere photoempfindliche Streifen miteinander zu ineinander verschachtelten Gitterkämmen verschaltet. Durch die simultane Verfügbarkeit dieser unterschiedli­ chen Schaltungsanordnungen wird ein Photoempfängerarray geschaffen, welches simultan Gitter mit unterschiedlichen Gitterkonstanten aufweist.

Die nachfolgende Beschreibung einer bevorzugten Aus­ führungsform der Erfindung dient im Zusammenhang mit beiliegender Zeichnung der weiteren Erläuterung. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch das Schaltbild einer Schaltungs­ anordnung zur Auswertung der durch das Photo­ empfängerarray erfaßten Daten mittels einer ersten Gitterkonstanten;

Fig. 2 schematisch das Schaltbild einer Schaltungs­ anordnung zur Auswertung der durch das Photo­ empfängerarray erfaßten Daten mittels einer zweiten Gitterkonstanten;

Fig. 3 schematisch das Schaltbild einer Schaltungs­ anordnung zur Auswertung der durch das Photo­ empfängerarray erfaßten Daten mittels einer dritten Gitterkonstanten und

Fig. 4 schematisch das Schaltbild einer Schaltung zur Auswertung der durch das Photoempfängerarray erfaßten Daten mittels dreier unterschiedli­ cher Gitterkonstanten.

Wie in Fig. 1 schematisch dargestellt, kann ein Photoemp­ fängerarray z. B. ein Photodiodenarray, beispielsweise aus zwölf in bekannter Weise (vgl. die DE-32 29 343 A1) streifenförmig angeordneten photoempfindlichen Streifen (vorzugsweise Photodioden) bestehen. Selbstverständlich sind die in Fig. 1 dargestellten zwölf photoempfindlichen Streifen 2 lediglich als ein Beispiel anzusehen. Die Erfindung ist keinesfalls auf zwölf photoempfindliche Streifen 2 beschränkt, es können vielmehr auch mehr oder weniger als zwölf photoempfindliche Streifen 2 in einem Photoempfängerarray vorgesehen sein. Die photoempfindli­ chen Streifen 2 bilden zusammen ein Gitter 4.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, sind die photoempfindlichen Streifen 2 über als Stromspannungswandler 6 geschaltete Operationsverstärker zu dem Eingang eines Differenzver­ stärkers 8 geführt. Dabei führen jeweils 3 mal 2 zu­ sammengeschaltete photoempfindliche Streifen 2 zu einem Eingang des Differenzverstärkers 8 (im folgenden kurz "positiver Eingang" genannt) und ebenfalls 3 mal 2 zusammengeschaltete photoempfindliche Streifen 2 zum anderen Eingang des Differenzverstärkers 8 (im folgenden kurz "negativer Eingang" genannt).

Im Differenzverstärker 8 findet eine Subtraktion der Signale der von den jeweils zusammengeschalteten photo­ empfindlichen Streifen 2 erfaßten Signalen statt.

Die Zusammenschaltung der einzelnen photoempfindlichen Streifen 2 ist schematisch durch Kästchen 10 angedeutet, welche zur Unterscheidung der einzelnen photoempfindli­ chen Streifen 2 abwechselnd mit einem "+"- oder "-"- Zeichen versehen sind, je nachdem ob der betreffende Streifen 2 mit dem positiven ("+"-Zeichen) oder negativen ("-"-Zeichen) Eingang des Differenzverstärkers 8 (über die Stromspannungswandler 6) verschaltet ist.

Hierbei ist zu beachten, daß beim tatsächlichen Aufbau des Photodiodenarrays aufgrund der Verschaltung die mit "+"-Zeichen versehenen photoempfindlichen Streifen 2 einen Gitterkamm bilden, der in an sich bekannter Weise (vgl. die DE-32 29 343 A1) in einen zweiten Gitterkamm eingreift, welcher durch die mit "-"-Zeichen gekenn­ zeichneten und miteinander verschalteten photoempfindli­ chen Streifen gebildet ist. Ein derartiger Aufbau ermöglicht die Bestimmung der Geschwindigkeit und des zurückgelegten Weges.

Zur Richtungserkennung der Bewegung des Fahrzeugs werden vorteilhafterweise die Streifen 2 so miteinander ver­ schaltet, daß sich vier ineinandergeschachtelte Gitter­ kämme ergeben, wobei die Ausgangssignale des ersten und dritten Gitterkammes und des zweiten und vierten Gitter­ kammes voneinander subtrahiert werden. Die resultierende Phasenverschiebung der Differenzsignale bildet sodann ein Maß für die Bewegungsrichtung des Fahrzeugs. Eine derartige Schaltungsanordnung ist in Fig. 1 schematisch durch weitere Kästchen 11 angedeutet. Detailliert ist eine solche Anordnung von ineinandergeschalteten Gitter­ kämme sowie die Auswertung der empfangenen Signale in der bereits oben erwähnten DE-32 29 343 A1 beschrieben.

In Fig. 2 ist schematisch eine Verschaltung von 4 mal 3 jeweils nebeneinanderliegenden photoempfindlichen Streifen 2 dargestellt, welche wiederum durch die mit "+"- und "-"-Zeichen versehenen Kästchen 12 angedeutet ist. Hierbei führen wiederum sämtliche photoempfindliche Streifen 2, die durch Kästchen 12 mit "+"-Zeichen zusammengefaßt sind, über Stromspannungswandler 6 zum positiven Eingang des Differenzverstärkers 8, wohingegen sämtliche photoempfindliche Streifen 2, welche durch Kästchen 12 mit "-"-Zeichen gekennzeichnet sind, ent­ sprechend zum negativen Eingang des Differenzverstärkers 8 führen. Es erfolgt auch in diesem Fall eine Diffe­ renzbildung der Signale, welche durch die entsprechenden photoempfindlichen Streifen 2 erfaßt werden. Auch in diesem Falle ist die Verschaltung der Streifen 2 derart ausgeführt, daß die beiden durch "+"- und "-"-Zeichen gekennzeichneten Gitterkämme ineinander verschachtelt sind.

Im Unterschied zu der in Fig. 1 dargestellten Schaltung sind jedoch bei der Schaltung in Fig. 2 jeweils drei nebeneinanderliegende photoempfindliche Streifen 2 zusammengeschaltet, die dem ersten Gitter zuzuordnen sind. Auf diese folgen wiederum drei zusammengeschaltete photoempfindliche Streifen 2, die jedoch zum zweiten Gitter gehören, und daraufhin wiederum drei photoemp­ findliche Streifen, die mit den zuerst genannten drei photoempfindlichen Streifen zusammengeschaltet sind und so fort.

Auf diese Weise ergibt sich durch Ausbildung breiterer photoempfindlicher Bereiche des Gitterkammes 4, welche durch die Zusammenschaltung mehrerer nebeneinanderliegen­ der photoempfindlicher Streifen 2 hervorgerufen wird, eine größere Gitterkonstante jeweils eines Gitterkammes und in Folge davon auch des gesamten Gitters 4.

Dieses läßt sich abhängig von der Gesamtzahl der photo­ empfindlichen Streifen 2 beliebig fortsetzen, so sind bei der in Fig. 3 dargestellten Schaltungsanordnung jeweils 2 mal 6 photoempfindliche Streifen 2 zusammengeschaltet und bilden jeweils zwei ineinander verschaltete Gitter­ kämme. Hierbei folgen sechs zusammengeschalteten photo­ empfindlichen Streifen 2, welche wiederum durch ein Kästchen 13 mit einem "+"-Zeichen veranschaulicht sind und über Strom-Spannungs-Wandler 6 zum positiven Eingang des Differenzverstärkers 8 führen, sechs weitere neben­ einanderliegende zusammengeschaltete photoempfindliche Streifen 2, welche durch ein Kästchen 13 mit "-"-Zeichen gekennzeichnet sind und entsprechend zum negativen Eingang des Differenzverstärkers 8 führen.

Bei mehr als den dargestellten zwölf photoempfindlichen Streifen 2 läßt sich auf die oben dargestellte Weise durch Zusammenschalten jeweils mehrerer photoempfindli­ cher Streifen 2 eine weitere Vergrößerung der Gitterkon­ stanten erzielen.

Zu beachten bei allen diesen Schaltungsanordnungen ist, daß die Verschaltung der Streifen 2 derart ausgeführt ist, daß jeweils ineinander verschachtelte Gitterkämme zur Erfassung der Bewegung des Fahrzeugs vorhanden sind. Hierbei ist es auch möglich, wie oben erwähnt, vier Gitterkämme ineinanderzuschachteln und so auch die Richtung der Bewegung des Fahrzeugs zu detektieren. Auch in diesem Fall kann durch Zusammenschaltung mehrerer photoempfindlicher Streifen 2, welche so gewissermaßen neue, breitere photoempfindliche Streifen 2 bilden, eine Vergrößerung der Gitterkonstanten erzielt werden.

Die in Fig. 1 bis 3 dargestellten Schaltungen können nun, wie in Fig. 4 dargestellt, bei einer konkreten Aus­ führungsform des Sensors alle simultan vorhanden sein, so daß ein einziger Sensor unterschiedliche Gitterkonstanten aufweist. Hierbei ist eine Verschaltung der Streifen 2, die der in Fig. 1 dargestellten entspricht, in Fig. 4 schematisch mit A bezeichnet. Sie führt zu einem ersten, ebenfalls mit A bezeichneten Ausgang der gesamten Schaltung. Entsprechend führt eine mit B bezeichnete Verschaltung der Streifen 2, wie sie einer in Fig. 2 dargestellten Verschaltung der Streifen 2 entspricht, zu einem weiteren Ausgang B der Schaltung. Und schließlich führt eine mit C bezeichnete Verschaltung der Streifen 2, entsprechend einer in Fig. 3 dargestellten Verschaltung der Streifen 2, zu einem dritten Ausgang C der gesamten Schaltung.

Abhängig von den Randbedingungen der Erfassung der Bewegung des Fahrzeugs (Geschwindigkeit, Oberflächen­ struktur der Bezugsfläche), kann beispielsweise nun zwischen den verschiedenen Ausgängen A, B, C und damit zwischen den unterschiedlichen Gitterkonstanten elek­ tronisch umgeschaltet werden, so daß die jeweilige Gitterkonstante einer optimalen Erfassung der Bewegungs­ daten des Fahrzeugs angepaßt werden kann. Eine andere Möglichkeit besteht auch darin (nicht dargestellte) Umschalter bereits zwischen den Strom-Spannungswandlern 6 und dem Differenzverstärker 8 vorzusehen. In diesem Falle ist lediglich ein einziger Differenzverstärker 8 erforderlich.

Allerdings ist im Falle der Umschaltung der Gitterkon­ stanten eine simultane Auswertung der bei den verschiede­ nen Gitterkonstanten erfaßten Bewegungsdaten nicht möglich.

Eine solche simultane Auswertung der Bewegungsdaten mittels mehrerer unterschiedlicher Gitterkonstanten ist besonders vorteilhaft. Sie läßt sich dadurch erreichen, daß die Daten der Bewegung des Fahrzeugs bei sämtlichen verfügbaren Gitterkonstanten erfaßt wird. Die ermittelten und simultan an den Ausgängen A, B und C ausgegebenen Daten können daraufhin beispielsweise durch einen (nicht dargestellten) Computer verglichen, gemittelt oder in sonstiger Weise verarbeitet werden.

In jedem Falle wird die Präzision der Erfassung der Bewegungsdaten eines auf einem beliebigen Grund bewegten Fahrzeugs aufgrund der simultan erfaßten Daten mittels verschiedener Gitterkonstanten wesentlich erhöht.

Von besonderem Vorteil ist es auch, daß die gesamte oben dargestellte Anordnung aus dem Photoempfängerarray und sämtlichen möglichen Schaltungsanordnungen auf einem einzigen Halbleiterchip angeordnet werden kann. Auf diese Weise ergibt sich ein besonders kompakter Aufbau des Sensors, er läßt sich darüber hinaus auch einfach und recht kostengünstig herstellen.

Claims (10)

1. Sensor zur Erfassung von Bewegungen eines Fahrzeugs relativ zu einer Bezugsfläche, bei dem der erfaßte Teil der Bezugsfläche auf ein als Gitter ausgebilde­ tes Photoempfängerarray abgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitterkonstante des Gitters (4) veränderbar ist.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gitter (4) zur Erfassung der Bewegung eines Fahrzeugs simultan mit mehreren, unterschiedlichen Gitterkonstanten betreibbar ist.

3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß mehrere photoempfindliche Streifen (2) des Gitters (4) jeweils über Strom-Spannungswandler (6) zur Differenzbildung der erfaßten Signale jeweils mit dem positiven und negativen Eingang eines Differenzverstärkers (8) verbunden sind.

4. Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschaltung der Streifen (2) derart ausgeführt ist, daß jeweils wenigstens zwei ineinander ver­ schachtelte Gitterkämme entstehen.

5. Sensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Streifen (2) derart verschaltet sind, daß vier ineinanderverschachtelte Gitterkämme entstehen, wobei die Ausgangssignale des ersten und dritten Gitterkammes und des zweiten und vierten Gitterkammes voneinander subtrahiert werden, wobei die resultierende Phasenverschiebung der Signale ein Maß für die Bewegungsrichtung darstellt.

6. Sensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch Verschaltung der Streifen (2) mit den Eingängen des Differenzver­ stärkers (8) unterschiedliche Gitterkonstanten jeweils eines Gitterkamms realisierbar sind.

7. Sensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vergrößerung der Gitterkonstanten in einem Gitterkamm jeweils mehrere nebeneinanderliegende Streifen (2) so miteinander verschaltet werden, daß nebeneinanderliegende Streifen (2) über Strom-Spannungswandler (6) auf einen Knotenpunkt geführt und mit jeweils einem Eingang des Differenzverstärkers (8) verbunden werden.

8. Sensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Streifen (2) derart miteinander verschaltet sind, daß simultan mehrere ineinanderverschachtelte Gitterkämme mit unter­ schiedlichen Gitterkonstanten verfügbar sind.

9. Sensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Photoempfängerarray ein Photodiodenarray ist.

10. Sensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Photoempfängerarray und sämtliche Verschaltungen der Streifen (2) über die Strom-Spannungswandler (6) mit den. Differenzver­ stärkern (8) auf einem einzigen Chip integrierbar sind.