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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung des Zustandes
einer Fahrbahnoberfläche nach dem Oberbegriff des Anspruches
1.
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Stand der Technik
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In
der
EP 1 635 163 A2 wird
eine Vorrichtung zur Bestimmung der Beschaffenheit einer Fahrbahnoberfläche
beschrieben, die in einem Kraftfahrzeug eingebaut ist und einen
Infrarotstrahler, einen Infrarotsensor sowie eine Auswerteeinheit
umfasst. Die Strahlen des Infrarotstrahlers werden auf die Fahrbahnoberfläche
gerichtet und an dieser reflektiert, wobei die reflektierten Strahlen
im Infrarotsensor aufgefangen und in der nachgeschalteten Auswerteeinheit
ausgewertet werden. Die Bestimmung der Fahrbahnbeschaffenheit erfolgt
anhand der reflektierten Leistung, wobei zur Unterscheidung unterschiedlicher
Fahrbahnbeschaffenheiten Infrarotstrahlen in mindestens drei Wellenlängenbereichen ausgesandt
werden. Die Oberflächenbeschaffenheit wird aus dem Messsignal
der an der Fahrbahn reflektierten Lichtstrahlen bestimmt.
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Bei
derartigen Vorrichtungen zur Bestimmung des Zustandes der Fahrbahnoberfläche
besteht das Problem, dass die Strahlungsintensität am Detektorelement
auf Grund der Streuung an der Fahrbahnoberfläche verhältnismäßig
gering ist. Daher müssen verhältnismäßig
leistungsfähige Infrarotstrahler und empfindliche Infrarotdetektoren
eingesetzt werden, was jedoch einen hohen Material- und Kostenaufwand
bedeutet. Außerdem besteht die Gefahr verfälschter
Ergebnisse insbesondere bei wechselnden oder ungünstigen
Umweltbedingungen, beispielsweise bei schlechtem Wetter oder bei
verschmutzter Fahrbahn.
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Zum
Teil wird versucht, mithilfe von Linsen oder Blenden eine Ergebnisverbesserung
zu erzielen. So ist es beispielsweise aus der
DE 10 2005 007 918 A1 bekannt,
sowohl dem Infrarotsender als auch dem Empfänger jeweils
eine Blende oder eine Linse zuzuordnen. Allerdings wird hierdurch
der konstruktive Aufwand weiter erhöht, außerdem
besteht im Falle des Einsatzes von Linsen das Problem zusätzlicher Absorption
von Strahlung im relevanten Infrarotbereich, wodurch die Ergebnisse
verfälscht, zumindest aber beeinträchtigt werden
können.
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Offenbarung der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einfachen konstruktiven
Maßnahmen den Zustand einer Fahrbahnoberfläche
zuverlässig zu bestimmen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen
des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben
zweckmäßige Weiterbildungen an.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung des
Zustandes einer Fahrbahnoberfläche, die in einem Kraftfahrzeug
eingesetzt wird, umfasst einen Infrarotstrahler, eine Detektoreinheit
sowie eine Auswerteeinheit, wobei die vom Infrarotstrahler erzeugten
Strahlen auf die Fahrbahnoberfläche gerichtet und die reflektierten
Strahlen in der Detektoreinheit aufgenommen werden. Anschließend
erfolgt eine Auswertung in der Auswerteeinheit, wobei aus dem detektierten
Strahlenspektrum auf den aktuellen Zustand der Fahrbahnoberfläche
geschlossen werden kann. Die Unterscheidung zwischen verschiedenen
Oberflächen der Fahrbahn, beispielsweise zwischen trockener,
nasser oder vereister Fahrbahn, erfolgt über eine unterschiedliche Reflektion
bzw. Absorption an der Oberfläche. Befindet sich beispielsweise
kein Wasser und auch kein Eis auf der Fahrbahn, so findet eine Absorption
von Infrarotstrahlen einer bestimmten Wellenlänge statt,
wohingegen die sonstigen Infrarotstrahlen in Form diffuser Infrarotstrahlen
von der Straßenoberfläche reflektiert werden.
Somit können die Straßenzustände trocken/nass/vereist über
die von der Straßenoberfläche reflektierten Wellenlängen
unterschieden werden. Es handelt sich hierbei um ein aktives Infrarotsystem,
das einen Infrarotsender bzw. -strahler voraussetzt.
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Um
trotz der starken Streuung die diffus reflektierten Strahlen in
Richtung der Detektoreinheit fokussieren zu können, ist
ein Reflektor vorgesehen, der der Detektoreinheit zugeordnet ist
und die von der Fahrbahnoberfläche kommenden Strahlen reflektiert
und in Richtung der Detektoreinheit fokussiert. Der Reflektor befindet
sich oberhalb der Straßenoberfläche, beispielsweise
in einem Abstand von etwa 50 cm zur Straßenoberfläche,
wobei im Brennpunkt des Reflektors die Detektoreinheit angeordnet
ist. Auf diese Weise ist es möglich, die diffuse, reflektierte
Infrarotstrahlung am Ort der Detektoreinheit zu bündeln,
wodurch ein stärkeres Eingangssignal für die Detektoreinheit
zur Verfügung steht. Damit wird die Zuverlässigkeit
der Messung verbessert, da auch unter widrigen äußeren
Bedingungen wie beispielweise Regen, Schneefall, Nebel oder stark
verschmutzte Fahrbahn ein stärkeres Signal gemessen werden
kann. Es können gegebenenfalls einfacher aufgebaute Baueinheiten
bzw. Baueinheiten geringerer Leistung bzw. geringerer Sensitivität
eingesetzt werden.
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Der
Einsatz des Reflektors bietet darüber hinaus den Vorteil,
dass in kostengünstiger Weise ein größerer
Spektralbereich vergleichen mit herkömmlichen Linsensystemen
ausgewertet werden kann, da die optische Grenzfrequenz von Linsensystemen
geringer ist als die des Reflektors. Linsen absorbieren Strahlungen
im Bereich höherer Wellenlängen, was bei Reflektoren
nicht der Fall ist. Daher können mit dem Reflektor auch
breitbandige Messungen von Wellenlängen durchgeführt
werden, die größer als 10 μm sind, wobei
durch die breitbandige Auswertung im Vergleich zu einem Aufbau mit
einer Linse mehr Informationen der absorbierten Wellenlänge
zur Verfügung stehen und eine genauere Auswertung möglich ist.
Außerdem können bei Reflektoren auch entsprechend
breitbandige Strahlungsquellen als Infrarotstrahler verwendet werden.
In Betracht kommen beispielsweise gewöhnliche Glühlampen
bzw. Fahrzeugscheinwerfer.
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Gemäß einer
ersten vorteilhaften Ausführung ist der Reflektor zumindest
annähernd senkrecht zur Fahrbahnoberfläche angeordnet.
In dieser Ausführung ist die Detektoreinheit vorteilhafterweise zwischen
der Fahrbahnoberfläche und dem Detektor im Bereich des
Brennpunktes positioniert. Die von der Straßenoberfläche
zurückgeworfenen Infrarotstrahlen führen seitlich
an der Detektoreinheit vorbei, treffen auf den Reflektor auf, werden
von diesem reflektiert und im Brennpunkt gebündelt, an
dem der Sensor der Detektoreinheit positioniert ist. Diese Ausführung
zeichnet sich durch eine besonders kompakte Bauweise aus.
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Gemäß einer
zweiten vorteilhaften Ausführung ist der Reflektor gegenüber
einer Senkrechten zur Fahrbahnoberfläche seitlich versetzt,
verdreht oder verschoben angeordnet, derart, dass der Brennpunkt
des Reflektors nicht in der Senkrechten zwischen Straßenoberfläche
und Reflektor, sondern vielmehr sich seitlich hiervon befindet.
Der Vorteil dieser Ausführung ist darin zu sehen, dass
die im Brennpunkt befindliche Detektoreinheit kein Hindernis für die
von der Fahrbahnoberfläche zurückgeworfenen Infrarotstrahlen
darstellt, so dass im Bereich des Sensors eine höhere Strahlungsintensität
herrscht.
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Die
Detektoreinheit kann als Sensor beispielsweise einen so genannten
Thermopile-Sensor umfassen, bei dem zwischen zwei Punkten eines elektrischen
Leiters, die eine unterschiedliche Temperatur haben, eine elektrische
Spannung entsteht (Seebeck-Effekt). Es können mehrere Thermopiles zu
einem gemeinsamen Sensor zusammengefasst werden.
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Gemäß einer
weiteren zweckmäßigen Ausführung ist
nur ein einziger Infrarotstrahler und auch nur eine einzige Detektoreinheit
in der Vorrichtung zur Bestimmung des Fahrbahnoberflächenzustandes vorhanden.
Auf Grund der guten Auswertemöglichkeiten in dem breitbandigen
Spektrum und der verhältnismäßig hohen
Intensität kann auf den Einsatz zusätzlicher optischer
Bauelemente wie verschiedene Strahlenquellen, mehrere Sensoren und
diverse Linsen oder Blenden verzichtet werden.
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Ein
weiterer Vorteil des Reflektors ist die günstige Herstellung,
beispielsweise aus Kunststoff mit einer aufgedampften Reflektionsschicht.
Außerdem kann der Reflektor in Form und Größe
beliebig gestaltet sein, wobei ggf. auch Fresnell-Optiken realisierbar
sind. Schließlich kann der Reflektor auf Grund des größeren,
erfassten Straßenbereiches auch auf unebenen Oberflächen
eingesetzt werden und die von diesen Oberflächen reflektierten
Strahlen fokussieren. Außerdem ist der Reflektor weitgehend unempfindlich
gegenüber einer Brennpunktsverschiebung. Darüber
hinaus ist der Reflektor mechanisch stabil ausgebildet.
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Gemäß einer
weiteren zweckmäßigen Ausführung ist
der Detektoreinheit mindestens ein optisches Filterelement zugeordnet,
wobei die Detektoreinheit gemeinsam von dem Sensor, insbesondere von
dem mindestens einen Thermopile-Sensor und dem optischen Filterelement
gebildet ist.
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Schließlich
ist der Vorrichtung ein Analog-Digital-Konverter zugeordnet, in
welchem das analoge Signal der Detektoreinheit in ein digitales
Signal umgewandelt wird, welches anschließend in der Auswerteeinheit
ausgewertet wird. Das Spannungssignal des Sensors, insbesondere
des bzw. der Thermopiles wird mit dem Analog-Digital-Konverter digitalisiert und
danach in der zweckmäßigerweise als Mikrocontroller
ausgebildeten Auswerteeinheit verarbeitet. Der Mikrocontroller ist
zudem verantwortlich für die Ansteuerung des Analog-Digital-Konverters
sowie zweckmäßigerweise auch des Infrarotstrahlers.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausführung ist die Detektoreinheit
in einem Sensorgehäuse angeordnet, welches eine Lufteinströmöffnung
aufweist. Über die Lufteinströmöffnung
kann Fahrtwind, der bei der Fahrt des Kraftfahrzeuges entsteht,
in das Innere des Sensorgehäuses einströmen, wodurch Schmutzpartikel
und Verunreinigungen aus dem Sensorgehäuse entfernt werden.
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Weitere
Vorteile und zweckmäßige Ausführungen
sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und
den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Bestimmung des Zustandes
einer Fahrbahnoberfläche, mit einem Infrarotstrahler, einem
Reflektor, einer Detektoreinheit, einem Analog-Digital-Konverter
und einer Auswerteeinheit,
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2 eine
Variante, gemäß der der Reflektor so verschoben
ist, dass der Brennpunkt des Reflektors, in welchem die Detektoreinheit
platziert ist, sich seitlich außerhalb der Senkrechten
zwischen Fahrbahnoberfläche und Reflektor befindet,
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3 eine
weitere Ausführung, gemäß der in ein
Sensorgehäuse eine Lufteinströmöffnung
eingebracht ist.
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In
den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die
in 1 dargestellte Vorrichtung 1 ist in einem
Fahrzeug eingebaut und dient zum Bestimmen des Zustandes der Oberfläche
einer Fahrbahn 3, über die sich das Fahrzeug bewegt.
Mithilfe der Vorrichtung 1 können zumindest die
Fahrbahnzustände trocken, nass und vereist festgestellt
werden. Die Vorrichtung 1 umfasst einen Infrarotstrahler 2,
einen Reflektor 4, eine Detektoreinheit 5, einen
Analog-Digital-Konverter 6, einen Mikrocontroller 7 und optional
einen anschließbaren PC 8. Der Infrarotstrahler 2,
bei dem es sich entweder um ein separates Bauteil handelt oder um
die Scheinwerfer bzw. sonstige Leuchteinrichtungen, die standardmäßig
im Fahrzeug verbaut sind, sendet Infrarotstrahlung wie mit den Pfeilen
dargestellt zur Fahrbahn 3, die dort reflektiert werden,
wobei je nach Fahrbahnbeschaffenheit bzw. -Oberfläche bestimmte
Frequenzen absorbiert werden, so dass die an der Fahrbahnoberfläche
reflektierte Streustrahlung in Abhängigkeit des Fahrbahnzustandes
unterschiedliche Wellenlängen enthält, aus denen
auf den Zustand der Straßenoberfläche geschlossen
werden kann.
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Die
an der Fahrbahnoberfläche reflektierte Strahlung wird von
dem Reflektor 4, welcher sich oberhalb der Straßenoberfläche,
beispielsweise in einem Abstand von 50 cm befindet, aufgefangen
und an der verspiegelten Innenseite des Reflektors zurückgeworfen
und im Brennpunkt des Reflektors gebündelt. Im Brennpunkt
ist die Detektoreinheit 5 positioniert, die einen Sensor,
beispielsweise mindestens einen Thermopile-Sensor, sowie ein optisches
Filterelement bzw. mehrere derartige Filterelemente enthält.
Die reflektierte und gebündelte Strahlung wird in der Detektoreinheit
gemessen, wobei das Messsignal zunächst in analoger Form
vorliegt und dem Analog-Digital-Konverter 6 zur Umwandlung
in ein digitales Signal zugeführt wird. Ausgangsseitig
des Analog-Digital-Konverters 6 wird das digitalisierte
Signal dem Mikrocontroller 7 zugeführt, der die
Auswerteeinheit darstellt und in dem die Auswertung des Signals
durchgeführt wird. Der Mikrocontroller 7 dient außerdem
zur Steuerung des Infrarotstrahlers 2 sowie des Analog-Digital-Konverters 6.
Des Weiteren wird über den Mikrocontroller die Information über
die Fahrbahnoberfläche weitergeleitet, insbesondere an ein
Fahrzeugregel- bzw. Steuergerät im Fahrzeug, in welchem
eine Weiterverarbeitung dieser Information, beispielsweise für
Fahrzeugassistenzsysteme stattfindet. In dem optional vorgesehenen
PC 8 können die Daten aus dem Mikrocontroller
ausgelesen werden, beispielsweise zur Ergebnisdokumentation. Gegebenenfalls
können über den anzuschließenden PC 8 auch
Parameter in die Vorrichtung 1 eingespeist werden.
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Der
Brennpunkt des Reflektors 4 liegt auf einer Senkrechten 9 zur
Fahrbahn 3. Der Reflektor 4 ist symmetrisch zur
Senkrechten 9 angeordnet, die Detektoreinheit 5 im
Brennpunkt des Reflektors befindet sich zwischen der Fahrbahnoberfläche 3 und
dem Reflektor 4. An der Fahrbahnoberfläche zurückgeworfene
Strahlung führt seitlich an der Detektoreinheit 5 vorbei
zum Reflektor 4 und wird dort an der Innenseite in Richtung
des Brennpunktes reflektiert.
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In
der Ausführungsvariante gemäß 2 ist die
Detektoreinheit 5 bezogen auf die Senkrechte 9 zur
Fahrbahn 3 mit seitlichem Versatz angeordnet. Um den Brennpunkt
des Reflektors entsprechend zu positionieren, ist der Reflektor
nicht symmetrisch zur Senkrechten 9 positioniert, sondern
vielmehr gegenüber der Senkrechen 9 verschoben
bzw. verdreht. Dadurch wird entsprechend auch der Brennpunkt des
Reflektors 4 in eine Position mit seitlichem Abstand zur
Senkrechten 9 verschoben. Der Vorteil dieser Ausführung
liegt darin, dass die Detektoreinheit 5, welche im Brennpunkt
positioniert wird, sich außerhalb des Strahlenganges zwischen
der Fahrbahnoberfläche 3 und dem Reflektor 4 befindet
und somit kein Hindernis für die Strahlen darstellt. Der
Brennpunkt liegt zweckmäßigerweise außerhalb
der senkrecht auf die Fahrbahn projizierten, der reflektierenden
Innenseite entsprechenden Fläche des Reflektors.
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Im
Ausführungsbeispiel nach 3 umfasst die
Vorrichtung ein Sensorgehäuse 10, in welchem die
Detektoreinheit 5 aufgenommen ist. Ebenfalls im Sensorgehäuse 10 befindet
sich der Reflektor 4, und zwar an der innen liegenden Oberseite
des Sensorgehäuses.
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Gegebenenfalls
bildet der Reflektor 4 die Oberseite des Sensorgehäuses.
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Seitlich
ist in das Sensorgehäuse 10, welches nach unten,
in Richtung auf die Fahrbahn 3 geöffnet ist, eine
Lufteinströmöffnung 11 eingebracht, die
sich in Fahrtrichtung F befindet. Über die Lufteinströmöffnung 11 kann
eine Luftströmung 12 in das Innere des Sensorgehäuses 10 einströmen
und dort befindliche Schmutzpartikel 13 nach unten in Richtung
auf die Fahrbahn 3 austragen. Auf diese Weise wird eine
Selbstreinigung realisiert, was zu besseren und präziseren
Ergebnissen bei der Bestimmung der Beschaffenheit der Fahrbahnoberfläche
führt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1635163
A2 [0002]
- - DE 102005007918 A1 [0004]