DE10031406A1 - Optoelektronisches System in Fahrzeugen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung beinhaltet ein optoelektronisches System zur Crash-Erkennung in Fahrzeugen, insbesondere in Automobilen, bestehend aus zumindest einem faseroptischen Sensor aus mindestens einem Lichtwellenleiter und einer Lichtquelle, die Licht in den Lichtwellenleiter einstrahlt sowie mindestens ein elektrisch-optischer Wandler, in den das Licht eingekoppelt wird und der ein elektrisches Signal abgibt, welches zur Crash-Erkennung in einer Auswerteeinheit dient, wobei der Lichtwellenleiter wenigstens mit einem Teil seiner Länge im erwarteten Verformungsbereich des Fahrzeugs derart angeordnet ist, dass bei Deformation der Lichtwellenleiter den Lichtweg unterbricht.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein optoelektronisches System nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

In Kraftfahrzeugen werden die Insassen bei Unfällen mit seitlichem Aufprall zusätzlich durch Seitenairbags geschützt, die in den Türen des Fahrgastraumes untergebracht sind. Ein Problem stellt dabei die geringe Distanz des Fahrgastes zur Tür dar, wodurch nur eine geringe Knautschzone zur Verfügung steht. Für einen wirksamen Schutz des Fahrgastes bei einem seitlichen Aufprall sollte deshalb der Airbag wesentlich schneller aktiviert werden als etwa bei einem Frontalzusammenstoß. Andererseits sollte der Airbag bei geringfügigen Einwirkungen auch nicht unnötig ausgelöst werden.

Üblicherweise werden Airbags durch einen Beschleunigungssensor aktiviert, der hohe Beschleunigungen detektiert. Problematisch dabei ist, dass der Beschleunigungssensor erst relativ spät anspricht und bis zum Auslösen der Sicherheitseinrichtungen im Fahrzeug bereits erhebliche Schäden entstanden sind, wodurch der Fahrgast in besonderem Maße gefährdet wird.

In der Druckschrift DE 44 45 999 wird ein optoelektronisches Netzwerk mit einem Lichtwellenleiter beschrieben, der im erwarteten Verformungsbereich eines Automobils an einem Karosserieteil angeordnet ist. Mit einer Lichtquelle wird Licht in ein Ende des Lichtwellenleiters eingestrahlt und mit einem optisch-elektrischen Wandler, welcher das aus einem Ende des Lichtwellenleiters austretende Licht empfängt und ein elektrisches Signal abgibt, das ein Maß für die Intensität des empfangenen Lichtes ist. Zur Bestimmung des Verformungsgrades wird beim Lichtsignal entweder das Transmissionsverhalten oder Rückstreuverhalten des Lichtwellenleiters ausgewertet. Dabei wird das optoelektronische Netzwerk als Crash-Sensor zugleich als Bestandteil eines optisch-elektrischen Netzwerkes für die Datenkommunikation verwendet. Die Reaktionszeit wird im wesentlichen durch den optisch-elektrischen Wandler bestimmt und beträgt bei diesem System ungefähr 10 ms.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein zuverlässiges Sensorsystem für Fahrzeuge zur Crasherkennung mit geringst möglicher Zeitverzögerung anzugeben, mit dem auch eine Ortsauflösung der Verformungsrichtung möglich wird.

Die Erfindung wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 wiedergegeben. Die weiteren Ansprüche enthalten vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung.

Die Erfindung beinhaltet ein optoelektronisches System zur Crash-Erkennung in Fahrzeugen, insbesondere in Automobilen, bestehend aus zumindest einem faseroptischen Sensor aus mindestens einem Lichtwellenleiter und einer Lichtquelle, die Licht in den Lichtwellenleiter einstrahlt sowie mindestens ein elektrisch-optischer Wandler, in den das Licht eingekoppelt wird und der ein elektrisches Signal abgibt, welches zur Crash-Erkennung in einer Auswerteeinheit dient, wobei der Lichtwellenleiter wenigstens mit einem Teil seiner Länge im erwarteten Verformungsbereich des Fahrzeugs derart angeordnet ist, dass bei Deformation der Lichtwellenleiter den Lichtweg unterbricht.

Die erfindungsgemäße Lösung kann beispielsweise zusätzlich zu herkömmlichen Beschleunigungssensoren eingesetzt werden und so vorteilhafterweise zum nahezu verzögerungsfreien Erkennen eines Aufpralls dienen. Besonders vorteilhaft kann damit der hohen Verletzungsgefahr der Fahrzeuginsassen bei einem seitlichen Aufprall mit schwerer Deformation begegnet werden.

Üblicherweise besteht der Sensor aus mehreren Lichtübertragungsstrecken, die beispielsweise jeweils eine LED als Sender benutzen, einen faseroptischen Lichtwellenleiter aus Glas oder Kunststoff, beispielsweise eine Stufenprofilfaser, als Verbindungsleitung und eine Photodiode oder einen Phototransistor als Detektor. Die LED wird mit Gleichspannung betrieben, der Detektor liefert ein konstantes oder auch gepulstes Signal. Ohne Belang sind hierbei Intensitätsänderungen durch Alterungseffekte oder Temperaturänderungen. Die Reaktionszeit des Photodetektors beträgt dabei etwa 1 µs. Zur LED benachbart kann ein zweiter Detektor angeordnet sein, der einen möglichen Ausfall der signalerzeugenden LED feststellt, wodurch eine Fehlinterpretation eines abfallenden Lichtsignals im Detektor ausgeschlossen wird.

Der Lichtwellenleiter ist so angebracht, dass er bei einer Verformung beispielsweise des Türbleches eine Kraftfahrzeuges gequetscht wird und bricht. Wird bei einem Zusammenstoß mit einem Unfallpartner die Seitentüre eingedrückt, dann fällt durch die Unterbrechung der Faser das Signal im Detektor auf Null ab.

Die Bruchcharakteristik des Lichtwellenleiters kann auf eine vorgegebene Schwere der Beschädigung am Fahrzeug über dessen Durchmesser oder die Oberflächenbeschaffenheit eingestellt werden. Stoßdämpfendes Material verzögert eine Unterbrechung; kammförmige Grate oder Einkerbungen auf der Faseroberfläche begünstigen eine frühzeitige Unterbrechung. Als Material eignet sich für den Lichtwellenleiter sowohl Kunststoff wie auch Glas.

Die Geschwindigkeit des Signalabfalles auf Null ist mit der relativen Geschwindigkeit des Unfallpartners und den Fasereigenschaften definiert. Beispielsweise beträgt bei einer Geschwindigkeit von 10 m/s und einem Faserdurchmesser von 1 mm die Zeitdauer des Signalabfalles auf Null lediglich 0.1 Millisekunden. Durch elektronische Differentiation kann der Abfall auf Null auch in einen kurzen elektrischen Puls umgewandelt werden, der zur Auslösung von Sicherheitssystemen wie beispielsweise Airbag dient.

Vorteilhaft ist auch die gemeinsame Verwendung mehrerer unterschiedlicher Sensoren. Beispielsweise kann der faseroptische Sensor auch mit einem Sensor kombiniert werden, der die Annäherungsgeschwindigkeit eines möglichen Unfallpartners erfaßt. Geeignete Systeme zur Messung von Annäherungsgeschwindigkeiten nutzen die Signalauswertung des Dopplereffektes eines Mikrowellen- oder Ultraschallsignals. Die Kombination der Sensoren bereitet bei hohen Annäherungsgeschwindigkeiten das System auf einen starken Aufprall vor, der über den optischen Sensor beim tatsächlichen Zusammenprall dann nahezu ohne zeitliche Verzögerung die Sicherheitssysteme auslöst. Andererseits kann für langsam ankommende Fahrzeuge, die geringe Schäden verursachen und den Fahrgast nicht ernsthaft gefährden können, eine Auslösung des Airbags vermieden werden. Für Kollisionen mit extrem hoher Querbeschleunigung kann, ohne vorherige massive Beschädigung von Türen, vorteilhafterweise das gesamte Sensorsystem zum faseroptischen Sensor zusätzlich durch Beschleunigungssensoren unterstützt werden. Ziel der geeigneten Kombination mehrerer Sensoren im Gesamtsystem ist mit hoher Zuverlässigkeit eine Fehlauslösung des Sicherheitssystems ausschließen.

Besonders vorteilhaft erweist sich die Einbringung von verteilten Reflexionsstellen in die optische Faser. Damit wird nicht nur ein Bruch irgendwo in einer Faser detektierbar, sondern es wird auch ein Bruch in dem zwischen zwei Refektionsstellen liegenden Faserabschnitt erfaßt. Zur Airbagauslösung steht dann die ortsauflösende Information der in der Faser verteilten Sensoren zur Verfügung. Durch eine geeignete Anordnung läßt sich nicht nur die Stärke des Aufpralls, sondern auch vorteilhafterweise der Aufprallwinkel mitbestimmen. Damit wird eine gezielte Aktivierung der Sicherheitskomponenten im Sicherheitssystem eines Fahrzeuges möglich. Eine derartige Abstimmung von beispielsweise eines Gurtstraffers in Verbindung mit Seiten- oder Frontairbags ergibt für die Fahrzeuginsassen eine optimaler Schutz.

Besonders geeignet als Reflexionsstellen sind im Lichtwellenleiter angeordnete faseroptische Bragg-Gitter. Diese Sensoren können in verschiedenen Netzwerktopologien über das Fahrzeug verteilt angeordnet werden. Auch die besonders einfache Applizierung der optischen Faser mit den Bragg-Gitter-Sensoren begünstigt den Einsatz im gattungsgemäßen Sensorsystem. Meist werden die Lichtwellenleiter stoffschlüssig mit dem Fahrzeug verbunden. Insbesondere bietet sich eine Intergration der optischen Faser in Leichtbaustrukturen, bestehend aus faserverstärkten Verbundmaterialien an, die verstärkt nicht nur in Luft- und Raumfahrt, sondern auch im Fahrzeugbau eingesetzt werden. Ebenso eignet sich die optische Faser zur Integration an Außenteilen eines Fahrzeugs in einer flächigen Anordnung und sogar im Lack der Struktur. Insbesondere wird der Lichtwellenleiter bei einem Kraftfahrzeug auf der Innenseite der Fahrzeugtüre oder auf der dem äußeren Türblech zugewandten Fläche der Türversteifungen oder der B-Säule angebracht.

Ein gattungsgemäßes Sensornetz läßt sich nicht nur für die Airbagauslösung ver­ wenden, sondern kann beispielsweise auch zur Überwachung und Messung von Temperatur, Dehnung, Lasten, Druck, Vibration oder als Schmierstoffsensor an anderen Fahrzeugkomponenten verwendet werden. Durch die exzellente Multiplexfähigkeit dieser Sensoren läßt sich der Verkabelungs- und Hardwareaufwand auf ein Minimum reduzieren. Mit dem System können zudem verschiedene Fahrzeugkomponenten, insbesondere Steuerschaltungen, Unterhaltungselektronik, Diebstahlsicherungs­ systeme, Antiblockiersysteme als Datenbus miteinander verbunden werden.

Claims (13)

1. Optoelektronisches System in Fahrzeugen, insbesondere in Automobilen, bestehend aus zumindest einem faseroptischen Sensor aus mindestens einem Lichtwellenleiter und einer Lichtquelle, die Licht in den Lichtwellenleiter einstrahlt sowie mindestens einem elektrisch-optischer Wandler, in den das Licht einge­ koppelt wird und der ein elektrisches Signal abgibt, welches zur Crash-Erkennung in einer Auswerteeinheit dient, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtwellenleiter wenigstens mit einem Teil seiner Länge im erwarteten Verformungsbereich des Fahrzeugs derart angeordnet ist, dass bei Deformation der Lichtwellenleiter den Lichtweg unterbricht.

2. Optoelektronisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtwellenleiter über dessen Länge verteilt Reflexionsstellen aufweist.

3. Optoelektronisches System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflexionsstellen faseroptische Bragg-Gitter sind.

4. Optoelektronisches System nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Brucheigenschaften des Lichtwellenleiter über dessen Durchmesser, Materialbeschaffenheit und/oder Oberflächenbeschaffenheit bestimmt sind.

5. Optoelektronisches System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtwellenleiter aus Kunststoff oder Glas besteht.

6. Optoelektronisches System nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtwellenleiter an der Oberfläche kammförmige Grate oder Kerben aufweist.

7. Optoelektronisches System nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtwellenleiter in stoßdämpfendes Material eingebettet ist.

8. Optoelektronisches System nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtwellenleiter stoffschlüssig mit dem Fahrzeug verbunden ist.

9. Optoelektronisches System nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtwellenleiter flächig im Verformungsbereich angeordnet ist.

10. Optoelektronisches System nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtwellenleiter bei einem Kraftfahrzeug auf der Innenseite der Fahrzeugtüre oder auf der dem äußeren Türblech zugewandten Fläche der Türversteifungen oder der B-Säule angebracht ist.

11. Optoelektronisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der faseroptische Sensor mit weiteren Sensoren zur Messung der Annäherungsgeschwindigkeit von Unfallpartnern kombiniert ist.

12. Optoelektronisches System nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor zur Messung der Annäherungsgeschwindigkeit ein Mikrowellen- oder Ultraschallsensor mit Dopplereffektmessung ist.

13. Optoelektronisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es verschiedene Fahrzeugkomponenten, insbesondere Steuerschaltungen, Unterhaltungselektronik, Diebstahlsicherungssysteme, Antiblockiersysteme als Datenbus miteinander verbindet.