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Kollissionswarneinrichtung für Kraftfahrzeuge
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auf Ultraschallbasis Stand der Technik Die Erfindung geht aus von
einer Kollissionswarneinrichtung nach der Gattung des Hauptanspruchs.
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Kollissionswarneinrichtungen nach dem Radarprinzip sind bekannt und
werden - zumindest in Form von Prototypen heute schon angewendet. Hierbei werden
sowohl Pulsmodulation als auch Frequenzmodulation verwendet. Wegen der Antennengröße
und wegen des Auflösungsvermögens in radialer Richtung werden elektromagnetische
Wellen im Bereich von 8 mm Wellenlänge benutzt.
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Verwendet man Ultraschallwellen an Stelle von elektromagnetischen
Wellen, so lassen sich ähnlich kleine Wellenlängen und ein hohes Auflösungsvermögen
bei sehr viel niedrigeren Frequenzen erzielen, wodurch die Bauteile sehr viel einfacher
und damit kostengünstiger werden. Für Kollissionswarneinrichtungen von Kraftfahrzeugen
bei normaler Fahrt lassen sich Schallwellen jedoch nicht verwenden, da hier Entfernungen
von 100 - 200 m erfasst werden müssen.
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Hierbei würde eventuell auftretender Wind zu großen Meßfehlern führen,
da Schallwellen vom Wind beeinflußt werden. Kollissionswarneinrichtungen
für
sehr kleine Entfernungen, wie sie z.B.
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als Einparkhilfe von Kraftfahrzeugen von Nutzen sein können, sind
auch mit Ultraschall möglich, da hier Windstörungen nicht so gravierend sind.
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Daß es sich bei solchen Abstandswarneinrichtungen zur Einparkhilfe
um ein interessierendes Problem handelt, zeigen die Anmeldungen 2044790 und 7042717,
die eine Lösung auf elektromagnetischen Wege versuchen sowie die Anmeldungen DE
3112726A1 und Europ. 0052702, die eine optoelektronische Lösung vorschlagen.
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Auch Warneinrichtungen ähnlicher Art unter Verwendung von Ultraschall
sind bekannt. So wird in der Offenlegungsschrift DE 3141230 von einer Vorrichtung
zum Ermitteln eines heckseitigen Hindernisses mit einem Ultraschall-Sender/Empfänger
mit einem Ultraschall-Schwinger gesprochen. Über die Funktionsweise oder über die
Anordnung des Ultraschall-Schwingers und seine Eigenschaften wird jedoch nichts
ausgesagt. Der wesentliche Inhalt dieser Offenlegungsschrift befasst sich mit Aufbau
und Anordnung der Anzeigevorrichtung.
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In der Offenlegungsschrift 2312248 werden "ein oder mehrere Wellengebereinrichtungen
(Sonar) mit nach hinten weisender Strahlrichtung" genannt. Weiter wird auch von
"einer sich über die gesamte Fahrzeugbreite erstreckenden Wellengeberleiste" gesprochen.
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In keiner der o.a. Offenlegungsschriften werden nähere Angaben über
die Funktionsweise der zu benutzenden Ultraschall-Radar- (bzw. Sonar-) Prinzipien
gemacht. Aus den spärlichen Angaben und Skizzen geht jedoch hervor, daß es sich
in jedem der Fälle um das sog. "Monostatische Radar-Prinzip" handelt.
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Hierunter versteht man, daß sich Sendeantenne (Sende-Schallschwinger)
und Empfangsantenne (Empfangs-Schallschwinger) annähernd
am gleichen
Ort befinden. Da sich bei diesem Prinzip bei einer Entfernungsbestimmung durch Laufzeitmessung
alle Punkte gleicher Entfernung auf einem Kreis mit dem Strahlerpaar als Mittelpunkt
befinden, ergeben sich für die übliche annähernd rechteckige Form eines Kraftfahrzeuges
große Nachteile, wenn nur ein Strahlerpaar verwendet wird. Aus diesem Grunde sind
gemäß OS. 2312248 auch "mehrere Wellengebereinrichtungen" bzw. neine sich über die
gesamte Fahrzeugbreite erstreckende Wellengeberleiste" vorgeschlagen. Aus Anspr.
1 und 2 sowie aus der Fig. 1 dieser OS. geht eindeutig hervor, daß es sich auch
bei Verwendung mehrerer Wellengebereinrichtungen jeweils um paarweise angeordnete
Sendercund Empfangsstrahler handelt, also um eine parallele Anordnung mehrerer monostatischer
Schallradar- (Sonar-) anordnungen. Daß über die Problematik der unvermeidlich unterschiedlichen
Entfernungsanzeige bei Vorhandensein mehrerer parallel liegender Schallradaranordnungen
in der gen. OS. nichts ausgesagt wird, kennzeichnet den geringen Aussagewert dieser
OS.
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Vorteile der Erfindung Erfindungsgemäß wird eine Anordnung mit nur
je einem Sende-und je einem Empfangsstrahler vorgeschlagen, die an der Rückseite
des Kraftfahrzeuges so angeordnet sind, daß sie in horizontaler Richtung soweit
voneinander entfernt sind, daß alle Punkte gleicher Entfernungssumme eine flache
Ellipse bilden, die nahe am Fahrzeug annähernd mit der Heckkontur des Fahrzeuges
übereinstimmt. Es handelt sich hierbei also um ein sog. "bistatisches" Schallradar,
bei dem Sendeschwinger und Empfangsschwinger an verschiedenen - relativ zur Wellenlänge
deutlich unterscheidbaren Orten angebracht sind.
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Der wesentlichste Vorteil dieser Anordnung ist, daß mit geringstmöglichem
Aufwand von nur einem Sende- und einem Empfangsschwinger die Heckseite eines Kraftfahrzeuges
nahezu unabhängig von der Richtung und Lage eines Hindernisses gegen eine Kollission
zu schützen ist.
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Benützt man eine der bekannten Methoden der Radartechnik, die dort
zur Entfernungsmessung gebräuchlich sind, so kann man für den Abstand eines Hindernisses
im horizontalen Schnitt eine Ellipse, im räumlichen Begriff ein Ellipsoid definieren.
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Eine Verringerung der üblichen Abstandsanzeige bedeutet hier das Durchlaufen
eines Hindernisses durch eine Schar ineinander liegender Ellipsen, in deren Brennpunkten
die beiden Schallschwinger liegen. Als in der Radartechnik übliche und bekannte
Entfernungsmeßmethoden können einerseits die Impulstastung mit Laufzeitmessung,
andererseits die Frequenzmodulation mit Auszählung der Differenzfrequenz angesehen
werden.
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Die Abstrahlrichtung des Sendeschwingers und die Empfangscharakteristik
des Empfangsschwingers ist so zu gestalten, daß vorzugsweise Reflexionen aus dem
hinter dem Fahrzeug liegenden Bereich aufgenommen werden. Die Idealform der beiden
Strahlungsdiagramme in horizontaler Richtung ist ein Diagramm 0 0 mit einem Offnungswinkel
von etwa 160 bis 180 , sodaß nur nach hinten abgestrahlt wird und Reflexionen von
Teilen des eigenen Fahrzeuges unterbunden werden. In vertikaler Richtung sollte
der Offnungswinkel etwa +450 nach oben und etwa -200 bis -300 nach unten betragen,
sodaß nicht direkt nach unten abgestrahlt wird um Reflexionen der Fahrbahnoberfläche
auszuschalten, jedoch niedrige Hindernisse noch zu erfassen.
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Auch Hindernisse, die etwas oberhalb der Strahler im Heckbereich auftauchen,
wie z.B. Teile eines LKW, können so erfasst werden.
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Durch Anordnung eines dritten Strahlerelementes als Sende-oder auch
als Empfangsschwinger läßt sich eine genauere Positionsbestimmung eines Hindernisses
dadurch erreichen, daß man den Schnittpunkt von zwei Ellipsen bestimmen kann.
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Der technische Aufwand steigt natürlich auch auf Seite der Informationsauswertung
und Darstellung. Die üblicherweise auftretende Mehrdeutigkeit beim Schnitt zweier
Ellipsen läßt
läßt sich durch geeignete Wahl der Strahlungsdiagramme,
wie oben erwähnt, vermeiden, da dann z.B. nur die Hälften zweier Ellipsen zum Schnitt
gebracht werden. Der nach bekannten Verfahren der Radartechnik gewonnene elektronische
Meßwert für die Entfernung kann dazu benutzt werden eine akustische Warnung zu erzeugen,
die z.B. einen stetig in der Frequenz oder im Impulsabstand oder in der Amplitude
sich verändernden Ton abgibt. Auch eine erst bei Unterschreiten einer bestimmten
Entfernung auftretende akustische Warnung ist denkbar.
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Gleichzeitig oder getrennt hiervon kann auch eine optische Warnanzeige
vorgesehen werden. Diese kann in einfacher Form z.B. aus einer Reihe von Leuchtdioden
bestehen, deren Zahl derjenigen von auf lösbaren Entfernungselementen entspricht
und die je nach der Entfernung des Hindernisses eingeschaltet werden.
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Die Wahl der geeigneten Ultraschallfrequenz hängt vom geforderten
Entfernungsauflösungsvermögen bzw. der gewünschten Meßgenauigkeit ab. Verwendet
man z.B. ein Pulsverfahren und erwartet eine Meßgenauigkeit von 5 cm, so muß die
Pulsdauer etwa 0,3 ms betragen. Bei einer Bandbreite von 1% ergibt sich dann als
Trägerfrequenz ca. 300 kHz und eine Wellenlänge in Luft von etwa 1 mm.
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Die Konstruktion der Ultraschallschwinger und ihrer Halterung sollte
so vorgenommen sein, daß sich die Teile auch nachträglich an ein schon zugelassenes
Fahrzeug leicht anbringen lassen.
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Die beschriebene Kollisionswarneinrichtung kann natürlich auch zusätzlich
an der Frontseite des Fahrzeuges angebracht werden um das Einparken in eine enge
Parklücke zu erleichtern. Hierfür kann dann die Anzeigeeinrichtung für Front- und
Heckbereich simultan benutzt werden.
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Zeichnungen Einige Ausführungsbeispiele von Teilen der Erfindung sind
als Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.
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Es zeigen: Fig. 1a die Anordnung der Strahlerelemente am Heck eines
PKW und die hierdurch entstehenden Ellipsen als Orte konstanter Entfernungen im
Horizontalschnitt.
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Fig. Ib die oben beschriebene Anordnung mit den Radien zu einem Hindernis.
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Fig. 2a die Strahleröffnungswinkel in der Horizontalen Fig. 2b die
Strahleröffnungswinkel in der Vertikalen Fig. 3 ein Beispiel mit mehreren Ellipsenscharen,
die sich schneiden.
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Fig. 4 ein Beispiel einer einfachen optischen Anzeigevorrichtung Fig.
5 Beispiel eines Blockschaltbildes Beschreibung der Ausführungsbeispiele In Fig.
1 ist das Kraftfahrzeug 3 im Horizontalschnitt angedeutet, wobei heckseitig, z.B.
an der Unterkante der Stoßstange der Ultraschallschwinger 1 als Sendestrahler und
der Ultraschallschwinger 2 als Empfangselement angebracht sind. Eine Berechnung
zeigt, daß sich vorwiegend dann eine sehr flache Ellipse als Ort konstanter Echolaufzeit
bildet, wenn die beiden Schwinger 1 und 2 sehr nahe an den beiden Enden der StoB-stange
angebracht sind. In diesem Falle schmiegt sich diejenige Ellipse, die dem Entfernungsbereich
"Null" entspricht recht nahe an die bei Personenkraftwagen übliche Heckkontur an.
Für größere Schall-Laufzeiten kann man sich eine entsprechende Schar weiterer Ellipsen
4 denken, die den gestrichelten Linien in Fig. 1a im Horizontalschnitt entsprechen.
Diejenigen Teile der Ellipsen 4, die zum Inneren des Kraftfahrzeuges 3
weisen,
werden dann unwirksam, wenn die Ultraschallschwinger ein geeignetes Strahlungsdiagramm
aufweisen, wie dies unten unter Fig. 2 beschrieben ist. In Fig. Ib ist ebenfalls
im Horizontalschnitt ein Hindernis 5 eingezeichnet, das vom Sendeschwinger 1 in
Richtung des Radius r1 angestrahlt wird und das eine Reflexion in Richtung des Radius
r2 zum Empfangsschwinger 2 abgibt. Als gemessene Laufzeit tL wird das Schallradar
(Sonar) hier die Summe r1 + r2 registrieren. Als Laufzeit ergibt sich dann tL =
(r1 + r2) : Vs t wobei v5 die Schallgeschwindigkeit in Luft bedeutet. Der Zusammenhang
zwischen der direkten Entfernung d vom Hindernis 5 zum Fahrzeugheck und der änderung
des gemessenen Wertes (r1 + r2) ist zwar nicht ganz linear, lässt sich aber aus
den Ellipsengleichungen leicht berechnen und ohne Schwierigkeiten in der Eichung
des Gerätes korrigieren. Dies kann z.B. dadurch erfolgen, daß im Auswertegerät bei
der Anschaltung von Zeittoren eine entsprechend nichtlineare Zeitfunktion zum Spannungsvergleich
verwendet wird. Auf bekannte Verfahren der Radartechnik wird verwiesen.
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In Fig. 2a ist der horizontale Offnungswinkel des Strahlungsdiagrammes
der beiden Schwinger 1 und 2 und seine Ausrichtung zum Fahrzeug 3 skizziert. Die
Halbwertsbreite der Horizontaldiagramme sollte bei 1600 bis 1800 liegen. In Fig.
2b ist Größe und Lage der Vertikaldiagramme der Schwinger 1 und 2 relativ zum Vertikalschnitt
des Kraftfahrzeuges 3 gezeichnet. Es ist zu erkennen, daß sich die Montage der Schallschwinger
z.B. auf der Unterseite der Heckstoßstange 6 als vorteilhaft erweist.
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0 Der vertikale öffnungswinkel der Strahlung sollte etwa 60 bis 800
betragen, wobei die Schwinger so zu montieren sind, daß nach unten ein Winkel von
etwa 200 bis 300 gegenüber der Horizontalen entsteht und somit Reflexionen, die
von der Straßenoberfläche kommen, erst in relativ "größeren Entfernungsbereichen
registriert
werden. Nach oben sollte der Offnungswinkel etwa 450 bis 600 gegenüber der Horizontalen
einnehmen, um auch höhere Hindernisse, z.B. die Bordwand eines LKW wahrnehmen zu
können.
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In Fig. 3 ist eine etwas aufwendigere Gestaltung des Erfindungsgedankens
skizziert, wobei drei Ultraschallschwinger am Heck des Fahrzeuges montiert sind.
Verwendet man den Schwinger 1, der hier in der Mitte liegt, als Sendestrahler und
die Schwinger 2 und 7, die nahe den Außenseiten des Fahrzeuges 3 angeordnet sind,
als Empfangselemente, so lassen sich zwei Gruppen von Ellipsen definieren, die jeweils
Orte konstanter Abstandssumme beschreiben. Man kann nun den Schnittpunkt zweier
Ellipsen bestimmen und so den Ort eines Hindernisses genauer ermitteln als nur durch
die Entfernungsangabe. So ist in Fig. 3 als Beispiel ein Hindernis 9 gezeichnet,
dessen Reflexionsschwerpunkt auf den Ellipsen 4 und 8 liegt. Der ebenfalls denkbare
Schnittpunkt 10 wird durch geeignete Diagrammwahl der Strahler unwirksam gemacht.
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Eine auf diese Weise gewonnene zusätzliche Richtungsinformation stellt
natürlich höhere Anforderungen an die Auswertung und an die Sichtdarstellung und
erfordert einen entsprechend höheren Aufwand.
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Aus systematischen Gründen ist natürlich auch die Möglichkeit gegeben
die Schwinger 2 und 7 als Sendestrahler zu benutzen und den Schwinger 1 als gemeinsamen
Empfänger. Dies bringt jedoch gegenüber der oben beschriebenen Anordnung höchstens
den Vorteil höherer Gesamtleistung mit besserem Störabstand, hat jedoch den Nachteil,
daß man entweder verschiedene Sendefrequenzen oder verschieden codierte Modulationen
für die Schwinger 2 und 7 verwenden muß, um die Signale empfangsseitig wieder trennen
zu können.
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Selbstverständlich ist in ähnlicher Weise auch die Verwendung von
zwei Sende- und zwei Empfangsschwingern u.s.w. möglich um
Richtungsinformationen
zu erhalten. Dies ist zeichnerisch nicht dargestellt.
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Zur akustischen Anzeige ist zu bemerken, daß man zweckmäßig einen
Ton erzeugen kann, der erst bei Unterschreiten eines maximalen Hindernisabstandes
eingeschaltet wird und sich bei Annäherung an das Hindernis stetig in der Frequenz,
in der Lautstärke oder in der Tastfrequenz mit abnehmender Entfernung ändert. Sprunghafte
Änderungen können auf eine Annäherung in den engsten Kollisionsbereich hinweisen.
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Für eine optische Anzeige, die auch mit einer akustischen kombiniert
werden kann, sind vielerlei Verfahren (vom Zeigerinstrument bis zur Kathodenstrahlröhre)
bekannt. Eine besonders einfache Darstellungsart für die Entfernungsinformation
ist in Fig. 4 skizziert. Sie besteht aus einer Anzahl von z.B. Leuchtdioden 11,
die entfernungsabhängig zu- oder abgeschaltet werden. Um möglichst genaue Entfernungsinformation
zu erhalten, kann man dem Auflösungsvermögen des Gerätes entsprechend, die z.B.
von der Impulslänge abhängt, jeder kleinsten Auflösungszelle eine eigene Leuchtdiode
zuordnen. Die Anzeige lässt sich natürlich auch durch eine Distanzansabe eichen.
Ist beispielsweise die Impulsdauer des Ultraschallradars 0,3 ms, so ergibt sich
ein Auflösungsvermögen von etwa 5 cm und man kann Entfernungen im Abstand von 5
cm jeweils eine Leuchtdiode zuordnen.
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Die Anbringung des optischen Anzeigegerätes, innerhalb des Fahrzeuges
hängt weitgehend vom Fahrzeugtyp ab. In einem PKW mit großer Heckscheibe wird der
Fahrer beim Einparken vornehmlich seinen Blick zur Heckscheibe richten. Hier wird
die Anbringung einer optischen Anzeige im Bereich der Heckscheibe von Vorteil sein.
In einem LKW oder Lieferwagen,der keine direkte Sicht nach hinten erlaubt, kann
eine Anbringung des optischen Anzeigegerätes in Blickrichtung zum seitlichen Rückspiegel
vorteilhaft sein.
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Zu den elektronischen Schaltungen des Senders, des Empfängers, der
Entfernungsauswertung und der Anzeigeeinrichtungen wird nur ein Blockschaltbild
vorgelegt, da hierfür nach bekannten Schaltungen der Radartechnik verfahren werden
kann.
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Nach dem Blockschaltbild der Fig. 5 wird der Sendeschwinger 1 vom
Sender 12 mit hochfrequenter Engergie versorgt. Der Modulator 13 tastet den Sender
12 oder verändert ihn in seiner Frequenz. Der Schall-Schwinger 2 gibt das empfangene
Signal in den Empfangsverstärker 14 weiter, von dem es zur Auswerteschaltung 15
geleitet wird. Diese steuert die optische Anzeige 16 und/oder die akustische Warneinrichtung
17.
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Sender, Empfangsverstärker, Auswerteschaltung, Stromversorgung etc.
können z.B. in einem Gehäuse vereint sein, das im Kofferraum oder hinter dem Armaturenbrett
des Kraftfahrzeuges untergebracht wird. Es ist aber auch denkbar, daß z.B. der Sender
12 mit dem Schallschwinger 1 und der Empfänger 14 mit dem Schallschwinger 2 jeweils
in einem gemeinsamen Gehäuse integriert werden, wobei dann z.B. die Auswerteeinrichtung
15 mit der Anzeigeeinrichtung 16 ein gemeinsames Gehäuse haben könnte. In jedem
Falle sollten die Anlagenteile so gestaltet sein, daß sie nachträglich leicht an
einem schon zugelassenen Fahrzeug montiert werden können.