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Die
Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur Aufpralldetektion nach
der Gattung des unabhängigen
Patentanspruchs.
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Aus
EP 0 952 046 A2 ist
bereits ein Aufprallsensor zur Erkennung einer Kollision eines Fahrzeugs
mit einem Fußgänger bekannt.
Dabei sind Sensoren vorgesehen, die ein Druckmuster an der Fahrzeugfront
ergeben.
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Vorteile der
Erfindung
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Aufpralldetektion mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs
hat demgegenüber
den Vorteil, dass nunmehr wenigstens ein Hohlleiter vorgesehen ist,
in den ein Signal eingekoppelt wird, und dass dann anhand des Übertragungsverhaltens
des Signals der Aufprall detektiert wird. Dies ermöglicht eine einfache
und sichere Detektion eines solchen Aufpralls. Insbesondere ist
damit auch die Aufprallschwere bestimmbar. Als Signal kann dabei
beispielsweise ein Ultraschallsignal oder ein elektromagnetisches
Signal, insbesondere auch Impulse, verwendet werden, um das Übertragungsverhalten
des Hohlleiters und damit einen Aufprall zu charakterisieren. Der
Hohlleiter ist üblicher
Weise mit Luft befüllt, es
ist jedoch möglich,
je nach dem, welche Art von Signalen verwendet wird, auch andere
Medien zu verwenden. Bei hochfrequenten elektromagnetischen Wellen
ist zur Wellenführung
nur ein Wellenwiderstandssprung zwischen dem Medium des Hohlleiters und
der Umgebung vorzusehen. Dabei kann der Hohlleiter ein Festkörper sein
und die Umgebung Luft.
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Insbesondere
für Schall
kann ein solcher Festkörper
von Vorteil sein, da die Laufzeit des Signals kürzer als beispielsweise bei
Luft ist und damit die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle höher ist.
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Durch
die in den abhängigen
Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen
und Weiterbildungen sind vorteilhafte Verbesserungen der im unabhängigen Patentanspruch
angegebenen Vorrichtung zur Aufpralldetektion möglich.
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Besonders
vorteilhaft ist, dass der Sender zur Einkopplung des Signals und
ein Empfänger
zum Empfangen des Signals an wenigstens einer Seite des Hohlleiters
angeordnet sind. Ist dabei das Sender-Empfänger-Paar nur an einer Seite
angeordnet, kann damit in einfacher Weise die Laufzeit und auch die
Dämpfung,
die das Signal während
dieser Laufzeit erfährt,
gemessen werden. Sind an beiden Seiten Sender und Empfängerpaare
angeordnet, sind auch Selbsttestfunktionen und eine genauere Charakterisierung
des Aufprallobjekts, das in den Hohlleiter eindringt, möglich. Insbesondere
ist es möglich, auch
mehrere Hohlleiter zu verwenden, wobei dann mehreren Sender oder
auch nur ein Sender bzw. Empfänger
verwendet werden können.
Diese verschiedenen Konfigurationen ermöglichen neben der Selbsttestfunktion
unterschiedliche messtechnische Charakterisierungen eines Aufpralls.
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Es
ist vor allem vorteilhaft, dass hier die Laufzeitantwort des Signals
ausgewertet wird. Die Laufzeitantwort kann sowohl bei der Transmissionsmessung,
als auch bei den Reflexionsmessungen oder Kombinationen der Transmissions-
und Reflexionsmessung verwendet werden. Die Länge des Hohlleiters ist im
Vorhinein bekannt und ebenso die Ausbreitungsgeschwindigkeit von
elektromagnetischen Wellen oder von Schallwellen in Abhängigkeit
vom jeweiligen Medium. Damit ist dann eine sehr genaue Analyse einer
Aufprallsituation möglich.
Bei der Laufzeitantwort wird nicht nur die Laufzeit an sich ausgewertet,
sondern auch die Dämpfung.
Insbesondere repräsentiert
die Laufzeitantwort bei einem eindringenden Aufprallobjekt in den
Hohlleiter eine Überlagerung
von mehreren Laufzeitantworten, da je nach Gestalt des Aufprallobjekts
das Signal an unterschiedlichen Koordinaten im Hohlleiter reflektiert
wird. Daher kann durch die Signalanalyse auf das Aufprallobjekt geschlossen
werden. Insbesondere können
hier im Vorhinein abgespeicherte charakteristische Unfalldaten verwendet
werden, um aus der Laufzeitantwort auf entsprechende Aufprallobjekte
zu schließen. Dies
ist eine Merkmalsanalyse. Aber auch rein rechnerisch, durch die
Auswertung der Laufzeit und der Dämpfung, sind Aussagen über das
Aufprallobjekt möglich.
Zu den besonderen Charakteristiken, um das Aufprallobjekt zu charakterisieren,
gehören
der Aufprallort, der insbesondere über die Laufzeit einfach ermittelbar
ist, die Eindringtiefe, wobei hier insbesondere die Dispersion der
Laufzeit und die Dämpfung
zu Tragen kommt, als auch die Aufprallgeschwindigkeit bzw. Eindringgeschwindigkeit,
die durch die Analyse des Zeitverhaltens des Übertragungsverhaltens des Signals
gewonnen wird. Durch die zeitliche Abfolge der Laufzeitantworten
kann die Eindringgeschwindigkeit gemessen werden, da sich hier zeigt,
wie schnell sich die Eindringtiefe insbesondere verändert. Durch
Sende-Empfangs-Einrichtungen an beiden Seiten des Hohlleiters ist
es möglich, auf
die Gestalt des Aufprallobjekts zu schließen.
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Besonders
vorteilhaft ist es, dass der Hohlleiter der Länge nach erstreckt und entweder
aus Kunststoff oder Metall gebildet ist. Insbesondere kann er in
einem Kunststoff-Stoßfänger angeordnet sein.
Es ist möglich,
die erfindungsgemäße Vorrichtung
jedoch auch für
einen Seiten- oder Heckaufprall zu verwenden. Bei der Verwendung
im Bereich der Fahrzeugfront, also insbesondere im Stoßfänger, ist der
Einsatz als Fußgängeraufprallsensor
angezeigt, aber auch als Aufprallsensor mit anderen Objekten ist
die erfindungsgemäße Vorrichtung
hervorragend geeignet.
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Bei
Betriebsbeginn oder auch zu regelmäßigen Zeitpunkten während des
Betriebs der erfindungsgemäßen Vorrichtung
können
Funktionstests durchgeführt
werden, indem die Laufzeitantwort mit abgespeicherten Daten verglichen
wird. Die abgespeicherten Daten wurden beispielsweise bei der Beendigung
der Herstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung gewonnen, also
bei der ersten Inbetriebnahme.
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Vorteilhafter
Weise können
auch stehende Wellen zur Aufpralldetektion verwendet werden. Dies hat
den Vorteil, dass beispielsweise bei elektromagnetischen Wellen,
also bei Hochfreguenzwellen, besonders niedrige Frequenzen verwendet
werden können.
Dies reduziert den Aufwand bei der Schaltungstechnik.
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Insbesondere
bei der Verwendung von Ultraschall als Signal kann durch die zusätzliche
Verwendung des Temperatursensors eine Bewertung der Laufzeitantwort
erfolgen. Alternativ ist es möglich, durch
den Einsatz von Sendern und Empfängern
an beiden Enden der Übertragungsstrecke
die Laufzeit bezogen auf die Länge
der Übertragungsstrecke
genau zu bestimmen.
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Es
ist auch von Vorteil, mittels eines Temperatursensors eine Verdichtung
des Volumens im Hohlleiter auf Grund eines Aufpralls über eine
Temperaturerhöhung
zu erkennen. Damit sind Rückschlüsse auf
die Wucht des Aufpralls möglich.
Dieses Signal kann zusätzlich
ausgewertet werden.
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Eine
besonders effektive und kostengünstige Möglichkeit
der Signalauswertung ergibt sich durch die Verwendung einer Phasenregelschleife
(Phase Locked Loop = PLL). Damit ist es möglich, die Phasendifferenz
zwischen der gesendeten und der empfangenen Welle zu messen. Üblicherweise
gibt die PLL eine Gleichspannung aus, mit der beispielsweise ein
spannungsgesteuerter Oszillator ansteuerbar ist. Diese Spannung
kann dann als den Aufprall kennzeichnend verwendet werden.
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Zeichnung
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der
nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert.
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Es
zeigen
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1a und 1b eine
erste Konfiguration der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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2 eine
zweite Konfiguration
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3 ein
Blockschaltbild und
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4 eine
dritte Konfiguration.
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Beschreibung
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Der
Einsatz von Kontaktsensoren, das sind solche Sensoren, die einen
Aufprall erkennen, ist von zunehmender Bedeutung, nicht nur im Hinblick
auf den Zusammenprall mit einem Fußgänger, sondern auch im Hinblick
auf die Optimierung von Auslösezeiten
für Personenschutzmittel.
Beschleunigungssensoren, die üblicher
Weise zur Ansteuerung der Personenschutzmittel verwendet werden,
sind nicht immer geeignet, um rechtzeitig auf die Auslösung von Personenschutzmitteln,
zu denen auch der Fußgängerschutz
gehört,
zu entscheiden.
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Erfindungsgemäß wird daher
vorgeschlagen, einen Hohlleiter vorzusehen, in den ein Signal eingekoppelt
wird, um anhand des Übertragungsverhaltens
des Signals in dem Hohlleiter auf einen Aufprall zu schließen. Als
Signal können
Ultraschallsignale oder elektromagnetische Signale, insbesondere Impulse,
verwendet werden. Bei den elektromagnetischen Signalen eignen sich
hier insbesondere Hochfrequenzsignale, beispielsweise Signale aus
den sogenannten ISM-Bändern
von 2,4 bis 2,5 GHz oder von 5,72 bis 5,875 GHz. Es sind dabei verschiedene Konfigurationen
von Sendern und Empfängern
möglich,
die an den Hohlleiter angeschlossen sind. Hierbei können auch
mehrere Hohlleiter verwendet werden. Dies vergrößert die Abdeckung, um einen
Aufprall zu erkennen. Die verschiedenen Konfigurationen von Sendern
und Empfängern
bieten Wahlmöglichkeiten
hinsichtlich Aufwand und Genauigkeit der Aufprallerkennung. Die
Sender und Empfänger
können
nur an einer Seite eingesetzt werden oder getrennt an gegenüberliegenden
Seiten, oder es können
Sender und Empfänger
an beiden Seiten eingesetzt werden, oder es kann eine Sende-Empfangskombination
an einer Seite und an der gegenüberliegenden
Seite nur ein Empfänger
eingesetzt werden. Insbesonde durch die Auswertung der Laufzeitantwort
ist eine genaue Analyse eines Aufpralls möglich. Damit kann nicht nur
auf das Ereignis des Aufpralls geschlossen werden, sondern auch
auf den Aufprallort, die Eindringtiefe und die Eindringgeschwindigkeit,
was Rückschlüsse auf
die Aufprallschwere ermöglicht.
Darüber
hinaus bietet ein solcher Sensor auch verschiedenstartige Möglichkeiten
zum Selbsttest. Durch den Vergleich mit abgespeicherten Daten, die
bei der Fertigung der Vorrichtung ermittelt wurden, ist eine Charakterisierung
der Funktionsfähigkeit
der Vorrichtung möglich.
Dies kann zu Beginn des Betriebs, aber auch während der Betriebsphase der
erfindungsgemäßen Vorrichtung
erfolgen.
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1 zeigt
eine Konfiguration, bei der ein Hohlleiter 10 an einer
Seite eine Sender und einen Empfänger
aufweist. In 1a ist der Hohlleiter 10 im
Normalzustand, ohne dass ein Aufprall erfolgt ist. In den Hohlleiter 10 wird
ein Signal 11 eingekoppelt und das Signal 12 empfangen.
Hier wird also lediglich die Laufzeit und die durch das Medium bedingte Dämpfung im
Hohlleiter 10, das gesendete Signal 11 vom dem
empfangenen Signal 12 unterscheiden. Eine Dispersion hinsichtlich
der Laufzeit ist hier nicht zu erwarten. 1b zeigt
die Situation bei einem Aufprall. Ein Aufprallobjekt 14 ist
in den Hohlleiter 10 eingedrungen. Damit kommt es zu einer
Dispersion der Laufzeit, denn ein Teil des Signals des Wellenimpulses,
der am Aufprallobjekt 14 reflektiert wird, weist eine geringere
Laufzeit und damit auch eine geringere Dämpfung auf, als der Signalanteil,
der bis zum Ende des Hohlleiters gelangt und erst dort reflektiert wird.
Da man aber eine Superposition dieser Signalteile am Empfänger sehen
wird, muss bei der Auswertung darauf geachtet werden. Hier sagt
beispielsweise die Größe des Signalanteils
aus, wie weit das Aufprallobjekt 14 in den Hohlleiter 10 eingedrungen ist.
Ist nämlich
das Objekt 14 noch nicht weit in den Hohlleiter 10 eingedrungen,
ist der Signalanteil, der die lange Strecke durch den ganzen Hohlleiter
durchmessen muss, um reflektiert zu werden, größer und somit auch der gedämpfte Signalanteil
viel größer. Ist das
Aufprallobjekt 14 jedoch schon weit in den Hohlleiter 10 eingedrungen,
ist der Teil, der eine geringere Laufzeit und damit auch eine geringere
Dämpfung aufweist,
erheblich größer.
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2 erläutert eine
weitere Konfiguration der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Hier weist
der Hohlleiter 20 an beiden Seiten Sende-Empfänger 21 und 22 auf.
Damit ist eine genaue Analyse des Aufprallobjekts möglich, da
hier nun von beiden Seiten reflektierte Signale am Aufprallobjekt
erfasst werden. Damit ist die Gestalt des Aufprallobjekts genauer
bestimmbar. Die Sende-Empfänger 21, 22 werden
von einer Ansteuer- und Auswerteelektronik 23 angesteuert
bzw. deren Signale dort ausgewertet. Wie weiter unten dargestellt,
ist die Ansteuer- und Auswerteelektronik 23 mit weiteren
Komponenten im Fahrzeug gekoppelt, um so die Ergebnisse dieser Sensormessung
diesen Systemen zur Verfügung
zu stellen. Dazu gehören
insbesondere Personenschutzsysteme, sowohl für Fußgänger, als auch für die Fahrzeuginsassen.
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3 zeigt
nun eine einfache Konfiguration in einem Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Hier ist der Hohlleiter 30 an einer Seite mit einem Sender
S versehen und an der anderen Seite mit einem Empfänger E.
Damit ist es nunmehr nur möglich,
eine Transmissionsmessung durchzuführen. D.h., je nach Dämpfung kann
auf einen Aufprall erkannt werden. Eine genaue Bestimmung des Aufprallorts
ist hier nicht möglich.
Wird hier ein Ultraschallsignal verwendet, muss auf die temperaturabhängige Ausbreitungsgeschwindigkeit
geachtet werden. Dazu ist hier im Hohlleiter 30 ein Temperatursensor
T vorgesehen. Dies wird bei der Auswertung der Signale berücksichtigt.
Aber auch mit dieser Konfiguration ist eine Laufzeitmessung durch
das Medium möglich,
wobei dann, wenn ein Impuls vom Sender S gesendet wird, ein Zähler gestartet
wird, der die Laufzeit misst, bis der Empfänger E diesen Impuls empfängt. Der
Sender S wird von der Ansteuerung 31 angesteuert, die wiederum
von dem Rechner 33 gesteuert wird. An den Rechner 33 ist
auch der Temperatursensor T und eine Auswertung 32 angeschlossen,
die das Signal des Empfängers
E aufbereitet. Aus diesen Signalen kann der Rechner 33 unter
Berücksichtigung
von abgespeicherten Werten auf einen Aufprall schließen, indem
er beispielsweise die Dämpfung
auswertet. Erkennt der Rechner 33 einen Aufprall, übermittelt
er dies dem Steuergerät
SG für
Personenschutzmittel, das dann in Abhängigkeit von diesem Signal
und weiteren Sensorsignalen einer Sensorik 34 Personenschutzmittel 35,
wie Airbags, Gurtstraffer, Überrollbügel oder
Fußgängerschutzmittel,
ansteuert. Dieses Blockschaltbild ist repräsentativ für alle Konfigurationen. Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
kann auch mit anderen Steuergeräten
gekoppelt sein, beispielsweise mit der Fahrdynamikregelung oder
einem Bremsassistenten.
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4 zeigt
nun eine weitere Konfiguration der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei hier
der Hohlleiter an einer Seite durch ein Sende-Empfangs-Modul abgeschlossen
wird und an der anderen Seite mit einem Empfangsmodul E 42. Das
Sende-Empfangsmodul 41 ist damit in der Lage, nicht nur zu
senden, sondern auch zu empfangen. Damit können an beiden Seiten Signale
empfangen werden, was eine genauere Charakterisierung des Aufprallobjekts
ermöglicht.
Um die Eindringgeschwindigkeit zu bestimmen, muss die zeitliche
Veränderung
der Laufzeit bzw. Dämpfung
ausgewertet werden, also der Laufzeitantwort. Dies ergibt dann,
wie schnell das Aufprallobjekt in den Hohlleiter 40 eindringt
und somit gibt es dafür
ein Maß für die Aufprallschwere.
Insbesondere ist es mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch möglich, den
Hohlleiter 40 selbst zu diagnostizieren, ob auch er noch
funktionstüchtig
ist. Durch den Vergleich mit den Signalen anderer Sensoren kann
auch eine Plausibilität
hergestellt werden, beispielsweise durch den Vergleich mit einem
Beschleunigungssensor oder auch einem Umfeldsensor.