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Die
Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erfassung von Hindernissen
zwischen einem ersten und zweiten Element, die relativ zueinander
beweglich angeordnet sind, mit Hinderniserfassungssensoren und einer
Auswerteeinheit.
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Beispielsweise
bei Kraftfahrzeugen stellt die motorische Bewegung von zwei relativ
zueinander beweglichen Elementen, wie beispielsweise eine Seitenscheibe
in einer Fahrzeugtür,
ein besonderes Problem dar, dass bereits auf vielfältige Weise
gelöst worden
ist.
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So
ist beispielsweise in der
DE
199 04 455 A1 ein Einklemmschutz für automatisch schließbare Fensterscheiben
von Kraftfahrzeugen beschrieben, bei der ein Ultraschallerzeuger
und ein Ultraschallsensor beabstandet voneinander an einer Fensterscheibe
angebracht sind. Das Glas der Fensterscheibe wird als Übertragungsmedium
genutzt und der Amplitudenfrequenzgang des Ultraschallsensors wird
durch Vergleich mit einem Referenzamplitudenfrequenzgang ausgewertet.
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Weiterhin
ist beispielsweise aus der
DE
197 10 338 A1 bekannt, eine für die Belastung eines Antriebs-Elektromotors
charakteristische Motorkenngröße kontinuierlich
zu erfassen und auszuwerten, um ein Einklemmereignis zu erkennen.
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Mechanische
Lösungen
zum Einklemmschutz sind beispielsweise in der
DE 43 31 177 C2 beschrieben.
Dort ist ein Einklemmschutz für
eine Schwenkschiebetür
eines Fahrzeuges offenbart, bei dem eine Abdeckung für eine Klemmkante
um eine zur Klemmkante parallele Achse drehbar ist. Beim Schließvorgang
der Tür
wird der freie Rand der Abdeckung aus dem Bereich der Klemmkante
in die Position eines Sicherheitsabstandes gedreht.
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Ausgehend
hiervon ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte
Einrichtung zur Erfassung von Hindernissen zwischen einem ersten und
zweiten Element zu schaffen, die relativ zueinander beweglich angeordnet
sind.
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Die
Aufgabe wird mit der Einrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass
- – die
Hinderniserfassungssensoren eine Vielzahl auf unterschiedliche Frequenzbereiche
abgestimmte Hochfrequenzantennen sind, die an dem ersten Element
angeordnet und auf das relativ zu dem ersten Element beweglich angeordnete
zweite Element derart ausgerichtet sind, dass eine von einer Hochfrequenzantenne
ausgestrahlte elektromagnetische Hochfrequenzstrahlung durch das
zweite Element reflektiert und an die Hochfrequenzantennen zum Empfang
zurückreflektiert wird,
und dass
- – die
Auswerteeinheit zur Beaufschlagung der einzelnen Hochfrequenzantennen über eine
Messperiode nacheinander mit Detektionssignalen unterschiedlicher
Frequenz und Auswertung der mit den Hochfrequenzantennen empfangenen
reflektierten Detektionssignalen Abhängigkeit von der jeweiligen
Frequenz des Detektionssignals und der räumlichen Lage der mindestens
ei nen auf diese Frequenz abgestimmten Hochfrequenzantenne zur Hinderniserfassung
eingerichtet ist.
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Die
Nutzung von Hochfrequenzantennen als Hinderniserfassungssensor ist
sehr preiswert und ermöglicht
eine zuverlässige
Hinderniserkennung durch die Verstimmung des reflektierten Empfangssignals
durch ein Hindernis. Die Lage des Einklemmereignisses kann durch
eine Vielzahl unterschiedlich abgestimmter Hochfrequenzantennen
einfach erfasst werden, indem die Hochfrequenzsensoren in einer
Messperiode nacheinander mit unterschiedlichen Frequenzen als Detektionssignal
beaufschlagt werden. Auf diese Weise werden nur diejenigen Hochfrequenzsensoren
aktiv, die auf die entsprechende Frequenz abgestimmt sind, und es
können
Hindernisse zwischen gelenkig miteinander verbundenen Elementen,
wie z. B. Türen
und Klappen an Fahrzeugen, erkannt werden. Durch die unterschiedliche
Anpassung der Hochfrequenzantennen ist es auch möglich eine während des
Schließ-
und Öffnungsvorganges auftretende
Distanzänderung,
beispielsweise bei Schiebetüren
oder ähnlichem
auszugleichen.
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Die
Einrichtung ist insbesondere in Verbindung mit aktuatorisch betätigten Elementen
einsetzbar, wie motorisch schließbare Fahrzeugtüren. Dann ist
die Auswerteeinheit mit der Ansteuereinheit für die Aktoren verbunden, um
im Falle eines Hindernisses den Schließvorgang zu unterbrechen und
ggf. in einen Öffnungsvorgang
umzukehren.
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Eine
Erkennung von Hindernissen kann sehr einfach und zuverlässig ohne
Referenzwerte erfolgen, wenn Hindernissensoren in Gruppen signalsymmetrisch
so aufgebaut sind, dass die Hochfrequenzantennen einer Gruppe jeweils
im ungestörten
Zustand bezogen auf die Messposition zur vergleichbaren empfangenen
reflektierten Detektionssignalen führen. Durch Vergleich der empfangenen
reflektierten Detektionssignale der Hochfrequenzantennen einer Gruppe
miteinander kann dann ein Hindernis erkannt werden, wenn die Detektionssignale
voneinander abweichen.
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In
einer Ausführungsform
sind die Hochfrequenzantennen einer Gruppe jeweils raumsymmetrisch
angeordnet, so dass während
des Bewegungsablaufes der zwei Elemente relativ zueinander auf Grund
der symmetrischen Anordnung der Hochfrequenzantennen die jeweils
gleichzeitig angesprochenen Hochfrequenzantennen im ungestörten Zustand vergleichbarer
reflektierte Detektionssignale empfangen. Das heißt, dass
die Position der Hochfrequenzantennen und ggf. die Ausrichtungen
und Dämpfung so
abgestimmt sind, dass bei gleichzeitiger Beaufschlagung mindestens
zweier Hochfrequenzantennen an zwei unterschiedlichen Positionen
von den zugeordneten Hochfrequenzantennen vergleichbare reflektierte
Detektionssignale empfangen werden.
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Eine
Gruppe von Hochfrequenzantennen kann beispielsweise aus zwei Hochfrequenzantennen
oder vier Hochfrequenzantennen bestehen.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn die Frequenzbereiche der Hochfrequenzantennen
in Abhängigkeit
von dem sich über
die Messperiode planmäßig verändernden
Abstand zwischen dem ersten und zweiten Element abgestimmt sind.
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Die
Position des Hindernisses kann erkannt werden, wenn zusätzlich der
Schließwinkel
zwischen ersten und zweiten Element bzw. die Laufzeit des Schließvorgangs
gemessen und in Verbindung mit der Hinderniserkennung mit Hilfe
der Hochfrequenzantennen ausgewertet wird.
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Für den Fall
einer Fahrzeugtür
oder Fahrzeugklappe erfolgt die Messung zunächst dann in den Bereichen,
in dem die Elemente relativ nah nebeneinander liegen. Während des
Schließvorgangs, dessen
Ablauf insbesondere bei aktuatorisch betätigten Elementen vorgegeben
ist, kann der Ort der Messung durch die unterschiedlich abgestimmten
Hochfrequenzantennen und durch die während der Messperiode, dass
heißt
der Zeitdauer des Schließvorgangs,
geänderten
Frequenzen des Detektionssignals an die jeweils zur Erfassung von
Hindernissen kritischen Bereiche verlagert werden. Es ist aber auch
denkbar, dass während
des Schließvorgangs, periodisch wiederkehrend,
ein von den Hochfrequenzsensoren abgedeckter Bereich abgescannt wird,
um Hindernisse zu detektieren.
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Die
Hochfrequenzantennen sind vorzugsweise auf die Richtcharakteristik
des ersten und/oder zweiten Elementes abgestimmt. Das heißt, dass
die Hochfrequenzantennen individuell beispielsweise an die Fahrzeugkarosserie
oder die Türen
bzw. Klappen abgestimmt sein sollten.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn die Hochfrequenzantennen auf einem Trägerelement
hintereinander mit dazwischen liegenden Filterelementen angeordnet
sind. Dies ermöglicht
eine vereinfachte Verschaltung und Beaufschlagung der Sensoren über eine
einzige Zuleitung zur Aussendung des Detektionssignals und einer
einzigen Empfangsleitung zur Auswertung der empfangenen reflektierten
Detektionssignale. Durch die unterschiedliche Abstimmung der Hochfrequenzantennen
und die Beaufschlagung mit Detektionssignalen, die auf über die Messperiode
variierende Frequenzen eingestellt sind, ist eine Einzelansteuerung
oder ein Multiplexverfahren nicht erforderlich.
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Die
Hochfrequenzantennen und Filterelemente können beispielsweise als Leitungsstrukturen auf
einer Trägerfolie
oder einem Dichtungsband appliziert sein. Sie können beispielsweise aus Kupferbahnen
geätzt
sein, die auf eine Trägerfolie
aufgebracht sind. Auch das Bedampfen einer Trägerfolie mit metallisch leitendem
Material ist denkbar. Auf diese Weise ist eine preiswerte Herstellung
der Hinderniserfassungssensoren möglich.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn das Trägerelement
eine gewölbte
Außenseite
hat und die Hochfrequenzantennen derart auf dem Trägerelement
angeordnet sind, dass jeweils der Empfangsteil einer Hochfrequenzantenne
durch die gewölbte
Außenseite
eine andere Richtcharakteristik als der Sendeteil der entsprechenden
Hochfrequenzantenne hat. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass
die Sendeantenne von der Empfangsantenne wegstrahlt und damit sichergestellt
wird, dass die Empfangsantennen nur ein reflektiertes Detektionssignal
erfassen und nicht während
des Aus senden des Detektionssignals eine Übersteuerung des Empfangssignals
bzw. einer in der Auswerteeinheit integrierten Empfangseinheit auftritt.
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Die
Detektionssignale sollten vorzugsweise auf Einzelfrequenzen im Bereich
von 800 MHz bis 50 GHz abgestimmt sein. Die Einzelfrequenzen werden dann
in einer Messperiode in gleichmäßigen oder
ungleichmäßigen Frequenzabständen in
dem genannten Bereich variiert.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn die Detektionssignale auf Einzelfrequenzen
von 1,8 bis 2,8 GHz abgestimmt sind. Diese Wellenlänge ist
insbesondere für
die Detektion von Hindernissen zwischen Türen und Klappen von Fahrzeugen
aufgrund ihrer Wellenlänge
geeignet. Die Differenz der Abstimmfrequenz benachbarter Hochfrequenzantennen
sollte vorzugsweise im Bereich zwischen 200 kHz bis 1,5 MHz liegen.
Damit kann ein ausreichender Abstand zwischen den mit Bandpassfiltern
abgestimmten Hochfrequenzantennen unter Berücksichtigung der bei preiswerter
Herstellung der Hochfrequenzsensoren auftretenden Toleranzen der
Bandpassfilter sichergestellt werden.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit den beigefügten Zeichnungen
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 – Blockdiagramm
einer Einrichtung zur Erfassung von Hindernissen;
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2 – Skizze
der Ansicht eines Hecks eines Kraftfahrzeuges mit Hinderniserfassungssensoren;
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3 – Skizze
einer Seitenansicht des Heckbereichs des Kraftfahrzeugs aus der 2.
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Die 1 lässt ein
Blockdiagramm einer Einrichtung 1 zur Erfassung von Hindernissen
erkennen, die sich zwischen zwei relativ zueinander beweglichen
angeordneten Elementen, wie beispielsweise einer Fahrzeugtür oder -klappe
oder einer Fahrzeugkarosserie befinden.
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Die
Einrichtung 1 hat eine Auswerteeinheit 2 mit einer
Sendeeinheit 3 und einer Empfangseinheit 4 zum
Senden und Empfangen hochfrequenter Detektionssignale. Die hochfrequenten
Detektionssignale werden auf jeweils definierte Einzelfrequenzen eingestellt.
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Die
Steuerung der Einrichtung 2 und die Auswertung von empfangenen
Detektionssignalen erfolgt mit einer Steuerungs- und Auswertelogik 5,
die als Ergebnis ein Signal H als Kennzeichen, ob ein Hindernis
erkannt wurde oder nicht, ausgibt.
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Die
Sendeeinheit 3 ist mit einer Vielzahl von hintereinander
angeordneten Sende-Hochfrequenzantennen 6a verbunden,
die jeweils mit Bandpassfiltern 7 auf eine spezifische
Frequenz abgestimmt sind. Entsprechend ist die Empfangseinheit 4 mit
einer Reihe hintereinander angeordneten Empfangs-Hochfrequenzantennen 6b verbunden,
die ebenfalls mit Bandpassfiltern 8 auf dieselbe spezifische
Frequenz einer zugeordneten Sende-Hochfrequenzantenne 6a abgestimmt
sind.
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Auf
diese Weise bilden ein Paar von Sende- und Empfangs-Hochfrequenzantennen 6a, 6b eine gemeinsame
Hochfrequenzantenne 6. Hierzu kann beispielsweise die Sende-Hochfrequenzantenne 6a von
einer Struktur der Empfangs-Hochfrequenzantenne 6b umgeben
sein oder umgekehrt.
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Die
Steuerungs- und Auswertelogik 5 ist so eingerichtet, dass
in einer Messperiode die einzelnen Hochfrequenzantennen 6 nacheinander
mit einem Detektionssignal beaufschlagt werden, indem die Frequenz
des Detektionssignals auf die jeweilige Abstimmfrequenz der zu beaufschlagenden
Hochfrequenzantenne 6 angepasst wird. Das heißt, dass
die einzelnen Hochfrequenzantennen 6 auf unterschiedliche
Frequenzen mit den Bandpassfiltern 7, 8 abgestimmt
sind und daher nur auf die Detektionssignale mit entsprechender
Frequenz ansprechen.
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Auf
diese Weise kann das Vorliegen von Hindernissen in einer Messperiode
nacheinander durch Abscannen eines Messbereichs mit den Hochfrequenzantennen 6 erfasst
werden. Hierzu ist nur eine einzige Sendeleitung von der Sendeeinheit 3 zu
den Sende-Hochfrequenzantennen 6a und eine einzige Empfangsleitung
von den Empfangs-Hochfrequenzantennen 6b zu der Empfangseinheit 4 erforderlich.
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Die
Hochfrequenzantennen 6 sind vorzugsweise in Gruppen signalsymmetrisch
angeordnet, wobei beim Abscannen eines Messbereiches in einer Messperiode
pro Messschritt mindestens zwei Sende-Hochfrequenzantennen 6a gleichzeitig
beaufschlagt werden. Diese Signal-Hochfrequenzantennen 6a und
zugeordneten Empfangs-Hochfrequenzantennen 6b sind räumlich so
ausgerichtet und elektrisch so abgestimmt, dass die im ungestörten Zustand
bezogen auf die Messposition durch die Empfangs-Hochfrequenzantennen 6b einer
Gruppe empfangenen reflektierten Detektionssignale miteinander vergleichbar
sind, so dass bei unterschiedlichen empfangenen reflektierten Detektionssignalen
das Vorliegen eines Hindernisses erkannt wird. Damit entfällt die
Notwendigkeit, Referenzsignale zu berücksichtigen. Auch werden Störungen beispielsweise
durch Mobiltelefone oder sonstige Störsender eli miniert, die gleichermaßen auf
die Empfangs-Hochfrequenzantennen 6b einer Gruppe einwirken.
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Die
Signalsymmetrie kann erreicht werden, indem gleichermaßen elektrisch
abgestimmte Hochfrequenzantennen 6 einer Gruppe raumsymmetrisch angeordnet
sind und ausgerichtet sind, so dass sie während des Bewegungsablaufes
der beiden Elemente relativ zueinander bei gleichzeitigem Abstrahlen
identischer Detektionssignale im ungestörten Zustand zu identisch reflektierter
Detektionssignale aufnehmen.
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Die 2 lässt eine
Skizze eines Hecks eines Kraftfahrzeuges 9 erkennen. Im
Anlagebereich einer Heckklappe 10, die an die Fahrzeugkarosserie 11 angelenkt
ist, an die Fahrzeugkarosserie 11 sind eine Vielzahl von
Hochfrequenzantennen 6 angebracht. Die Hochfrequenzantennen 6 sind
nach außen
so ausgerichtet, dass abgestrahlte Detektionssignale von der Heckklappe 10 reflektiert
werden, wenn diese geschlossen wird. Die reflektierenden Detektionssignale
werden von den Empfangs-Hochfrequenzantennen 6b aufgenommen
und von der Auswerteinheit 2 hinsichtlich einer möglichen,
sich ändernden
Dämpfungscharakteristik
ausgewertet.
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Die
Hochfrequenzantennen 6 können beispielsweise auf einem
Trägerband
appliziert sein, das auf die Fahrzeugkarosserie 11 aufgebracht
ist. Das Trägerband
kann beispielsweise eine mit einer metallischen Leiterbahn beschichtete
Folie sein, wobei die Hochfrequenzantennen 6 und die zugeordneten
Bandpassfilter 7, 8 durch Ätzen der metallischen Leiterschicht
appliziert sind.
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Es
ist aber auch denkbar, dass die Hochfrequenzantennen 6 und
die zugehörigen
Bandpassfilter 7, 8 in ähnlicher Weise in ein Dichtungsband
integriert sind.
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Optional
können
die Hochfrequenzantennen 6 mit zugeordneten Bandpassfiltern 7, 8 auch
an einem Anlagebereich der Heckklappe 10 angebracht werden,
der im geschlossenen Zustand an die Fahrzeugkarosserie 11 angrenzt.
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Die
Anordnung der Hochfrequenzantennen 6 ist ebenfalls so zu
wählen,
dass von den Hochfrequenzantennen 6 abgestrahlte Detektionssignale von
der Fahrzeugkarosserie 11 beim Schließvorgang der Tür oder Klappe 10 reflektiert
werden und von den jeweiligen Empfangs-Hochfrequenzantennen 6b aufgenommen
werden können.
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Die 3 lässt nochmals
eine Seitenansicht des Kraftfahrzeuges 9 erkennen. Es wird
deutlich, dass die Klappe 10 mit einem Motor 12 verschwenkt wird.
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Die
Frequenz der Detektionssignale sollte dann in einer Messperiode
in Abhängigkeit
von dem sich über
die Messperiode planmäßig verändernden Abstand
zwischen der Klappe 10 und der Fahrzeugkarosserie 11 abgestimmt
sein, so dass nacheinander die Hochfrequenzantennen 6 angesteuert
werden, an deren Position eine Reflektion durch die Klappe 10 während des
Schließvorgangs
auftritt und der Abstand zwischen Klappe 10 und Fahrzeugkarosserie 11 noch
ausreichend ist, um bei Erkennung eines Hindernisses einem Einklemmen
durch Stoppen oder Reversieren des Antriebs entgegenzuwirken.
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Die
Detektionssignale sind vorzugsweise auf Einzelfrequenzen im Bereich
von 800 MHz bis 50 GHz abgestimmt. Der untere Bereich kann wie auch der
obere Bereich je nach Anforderung anders gewählt werden, beispielsweise
1,2 GHz, 1,4 GHz, 1,6 GHz oder 1,8 GHz für den unteren Bereich und 20 GHz,
10 GHz, 5 GHz, 3 GHz oder 2,8 GHz für den oberen Bereich.
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Der
Frequenzabstand zwischen den benachbarten Hochfrequenzantennen 6 sollte
aus dem Bereich von 200 kHz bis 1,5 MHz gewählt werden. Die Auswahl der
Frequenzen ist relativ toleranzunkritisch, so dass Toleranzen im
Bereich von 10 bis 50 kHz problemlos in Kauf genommen werden können. Das
heißt,
dass die Bandpassfilter 7, 8 nicht extrem steile
Flanken haben müssen.