DE102016118291B3 - Verfahren zur erfassung von relativbewegungen - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Erfassung von Relativbewegungen zwischen einem Sensorelement (1) und einem von dem Sensorelement (1) abgetasteten Rasterelement (7), wobei das Sensorelement (1) einen Fotorezeptor (2) aufweist, welcher Veränderungen des Lichteinfalls über die Zeit erfasst und das Sensorelement (1) diese an eine mit dem Sensorelement (1) datenverbundene Prozesssteuerung (5) übermittelt, wobei durch das Überstreichen von Hell-Dunkel-Übergängen des Rasterelements (7) entstehende Signalflanken (8) detektiert werden, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (1) einen analogen Datenstrom des Fotorezeptors (2) auswertet und in Reaktion auf eine steigende oder fallende Signalflanke (8) einen Zeitstempel (4) erstellt und diesen an die Prozesssteuerung (5) versendet.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung von Relativbewegungen zwischen einem Sensorelement und einem von dem Sensorelement abgetasteten Rasterelement, wobei das Sensorelement einen Fotorezeptor aufweist, welcher Veränderungen des Lichteinfalls über die Zeit erfasst und das Sensorelement diese an eine mit dem Sensorelement datenverbundene Prozesssteuerung übermittelt, wobei durch das Überstreichen von Hell-Dunkel-Übergängen des Rasterelements entstehende Signalflanken detektiert werden.
  • Derartige Verfahren sind bereits aus der DE 10 2008 051 796 A1 oder der DE 10 2009 052 500 A1 vorbekannt und dienen der Erfassung von verformungsvorgängen an Kraftfahrzeugen. Darüberhinaus ist auf den Stand der Technik gemäß den Schriften DE 10 2008 051 794 B3 und DE 40 15 668 A1 zu verweisen.
  • Solche Verfahren werden im Stand der Technik bereits seit Langem eingesetzt, beispielsweise im Bereich von Kollisionsversuchen an Fahrzeugen. Bei derartigen Kollisionsversuchen muss stets sichergestellt werden, dass jede Bewegung und jeder Messwert exakt zu einem Zeitpunkt festgehalten werden, so dass die genauen Abläufe innerhalb des zeitlich sehr knapp getakteten Aufpralls einander eindeutig zugeordnet werden können. So ist eine Prozesssteuerung vorhanden, welche ein Startsignal gibt, bei dem die Messung beginnt. Ausgehend von diesem Startsignal werden von zahlreichen Sensoren verschiedene Bewegungen, Stauchungen und Dehnungen, Belastungen, Längen und Geschwindigkeiten erfasst und müssen später zu einem Gesamtbild des Ablaufs zusammengesetzt werden.
  • Damit dies möglich ist, müssen exakte Messergebnisse vorliegen, welche die genannte Rekonstruktion erlauben. Zur Messung von Längen und Geschwindigkeiten wird im Stand der Technik häufig ein Rasterband eingesetzt, welches in festgelegten Abständen Übergänge von hell nach dunkel und von dunkel nach hell aufweist. Dieses Rasterband, oder allgemein gesprochen ein Rasterelement, wird mithilfe einer Lichtschranke abgetastet, welche über das Rasterelement gezogen wird. Das Rasterelement wird hierbei relativ zu der Lichtschranke bewegt, kann also beispielsweise einem Sicherheitsgurt zugeordnet sein, welcher beweglich in dem Fahrzeug angeordnet ist. Demgegenüber ist beispielsweise die Lichtschranke, welche dieses Rasterelement abtastet, mit dem Fahrzeug fest verbunden, so dass eine Relativbewegung entsteht.
  • Als Ausgangssignal der Lichtschranke ergibt sich ein zwischen hohen und niedrigen Spannungen, abhängig von der abgetasteten Helligkeit, schwingender Spannungsverlauf, dessen Schwingungsfrequenz von einem Frequenzzähler der Prozesssteuerung erfasst und ausgewertet wird. Mit jeder Schwingung über eine volle Periode ist ein Übergang von hell nach dunkel und von dunkel nach hell verbunden, so dass über die Frequenz und die damit verbundenen Zeitpunkte auf die Position über der Zeit zurückgeschlossen werden kann. Es wird jedoch im Stand der Technik jeweils nur der analoge Spannungswert übertragen, die Zuordnung der einzelnen Ereignisse zu einem bestimmten Zeitpunkt, soweit eine solche Zuordnung bei diesem Stand der Technik überhaupt vorgenommen wird, wird erst in der Prozesssteuerung durchgeführt. Hierbei wird zudem der zunächst analoge Spannungswert in der Prozesssteuerung digitalisiert und erst danach ausgewertet. Im Falle einer Längenmessung spielt der geringe Zeitversatz aufgrund der sequenziellen Datenübertragung mehrerer Messsignale keine Rolle. Bei der Geschwindigkeitsmessung hingegen bewirkt der Zeitversatz einen signifikanten Messfehler.
  • Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Erfassung von Relativbewegungen zwischen einem Sensorelement und einem von dem Sensorelement abgetasteten Rasterelement zu schaffen, welche die im Stand der Technik bekannten Messfehler ausräumt und ein über die Zeit hinweg exakt nachvollziehbares Messergebnis liefert.
  • Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Erfassung von Relativbewegungen gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere, sinnvolle Ausgestaltungen eines solchen Verfahrens können den Unteransprüchen entnommen werden.
  • Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass Relativbewegungen zwischen einem Sensorelement und einem abgetasteten Rasterelement erfasst werden. Hierzu weist das Sensorelement einen Fotorezeptor auf, welcher Veränderungen des Lichteinfalls über der Zeit erfasst und diese an eine Prozesssteuerung übermittelt. Hierbei wertet jedoch das Sensorelement einen analogen Datenstrom des Fotorezeptors direkt aus und detektiert Signalflanken, die durch das überstreichen von Hell-Dunkel-Übergängen entstehen. Dies meint sowohl Übergänge von einer helleren auf eine dunklere Fläche des Rasterelements, als auch einen Übergang von einer dunkleren Fläche auf eine hellere. Anstatt nunmehr die Messwerte des Sensors zu übertragen wird bei der Auswertung des Datenstroms des Fotorezeptors jeweils ein Zeitstempel immer dann erstellt, wenn eine Signalflanke detektiert wird.
  • Durch eine derartige erfindungsgemäße Maßnahme kann eine besonders schnelle Übertragung der Messsignale gewährleistet werden. Im Falle von Messungen, auf die das System nicht reagieren muss und die vielmehr eine reine Dokumentation darstellen, reicht es ferner aus, den Zeitstempel als solchen zu versenden und einer späteren Auswertung zuzuführen. Ein solcher Zeitstempel stellt ein diskretes Messergebnis dar, welches eine vollständige Übertragung der kompletten Datenströme der verwendeten Sensoren unnötig macht. Zudem ist die Auswertung eines reinen Zeitstempels, ebenso wie sein Versand, mit einem sehr geringen zeitlichen Aufwand verbunden, so dass insoweit das Verfahren in jeder Hinsicht beschleunigt wird.
  • In konkreter Anwendung des Verfahrens kann das Erstellen eines Zeitstempels mit einem absoluten Zeitpunkt oder mit einem relativen Zeitpunkt erfolgen. Im Fall eines Zeitstempels mit absolutem Zeitpunkt muss dem Sensorelement ein absolutes Zeitsignal zugeleitet werden, so dass das Sensorelement beim Auftreten eines auslösenden Ereignisses, also beim Auftreten einer Signalflanke im Datenstrom des Fotorezeptors, anhand des vorliegenden absoluten Zeitsignals einen Zeitstempel erstellen und an die Prozesssteuerung versenden kann. Das Zeitsignal kann etwa von der Prozesssteuerung stammen, oder auch von einem Zeitempfänger, der drahtlos mit einem Zeitgeber verbunden ist.
  • Im Fall eines Zeitstempels mit einem relativen Zeitpunkt ist es erforderlich, dass dem Sensorelement ein absolutes oder alternativ auch ein relatives Zeitsignal zugeleitet wird, bedarfsweise auch beides. Ausgehend von einem auslösenden Ereignis als Startpunkt der relativen Zeitrechnung kann dann der Offset zu einem durch eine steigende oder fallende Signalflanke im Datenstrom des Fotorezeptors repräsentierten Ereignis berechnet und lediglich der Zeitabstand zu dem Startpunkt der relativen Zeitrechnung bestimmt werden. Ein derartiges Signal kann wesentlich kompakter gehalten sein als ein absoluter Zeitpunkt und daher mit einfacheren Mitteln versendet werden.
  • Daher ist es möglich, insbesondere relative Zeitstempel über einen einzelnen Messkanal zu versenden, wobei ein solcher Messkanal vorzugsweise ein 16-Bit-Signal übertragen kann. Insbesondere bei der Übertragung eines Zeitstempels mit einem absoluten Zeitpunkt sind in der Regel je nach Genauigkeit mehr als 16 Bit erforderlich, so dass in diesem Fall eine Übertragung über mehrere Messkanäle erfolgen kann, um eine gleichzeitige Übertragung des vollständigen Zeitstempels zu gewährleisten und damit eine schnelle Übertragung zu ermöglichen.
  • Bei dem Rasterelement handelt es sich insbesondere um ein besonders exaktes Streifenmuster, welches gleichbreite schwarze und weiße Streifen in abwechselnder Folge aufweist. Durch ein Überstreichen dieses Rasterelements mit dem Fotorezeptor entstehen in dessen Datenstrom abwechselnd steigende und fallende Signalflanken, wobei dem Zeitstempel bedarfsweise auch eine Information darüber hinzugefügt werden kann, ob es sich bei dem den Zeitstempel auslösenden Ereignis um eine steigende oder fallende Signalflanke handelt. Hierdurch kann eine Verifizierung einer korrekten Reihenfolge der Messungen durchgeführt werden, indem geprüft wird, ob sich steigende und fallende Signalflanken auch jedes Mal abwechseln.
  • Um eine ausreichende Ausleuchtung des Rasterelements zu gewährleisten kann zudem das Sensorelement einen Fotoemitter aufweisen, welcher das Rasterelement mit Licht bestrahlt und damit für einen ausreichenden Kontrast sorgt.
  • Im Einzelnen handelt es sich bei dem vorliegenden Anwendungsfall um einen Kollisionsversuch, bei dem ein Rasterelement auf einem Gurtband eines Fahrzeugs angeordnet ist, im Einzelnen auf dem Gurtband aufgeklebt ist.
  • Die vorstehend beschriebene Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
  • Es zeigen
  • 1 ein Rasterband mit einem darauf ausgerichteten, mit einer Prozesssteuerung kommunizierenden Sensorelement in schematischer Darstellung, sowie
  • 2 ein Ausschnitt des Rasterbands und ein Signalverlauf des Fotorezeptors sowie des Sensorelements über der Zeit.
  • 1 zeigt ein Sensorelement 1, welches einen Fotorezeptor 2 sowie einen Fotoemitter 3 aufweist und auf ein Rasterelement 7 mit einer Einteilung von verschiedenen Längen ausgerichtet ist. Das Rasterelement 7 weist an seinem linken Rand Hell-Dunkel-Übergänge im Abstand eines Zentimeters auf, in einem mittleren Bereich Übergänge mit einem Abstand von einem Millimeter und an seinem rechten Rand Übergänge im Abstand von fünf Millimetern. Der Fotoemitter 3 sendet Licht auf das Rasterelement 7 aus, welches von diesem reflektiert wird und damit das Rasterelement 7 für eine Abtastung durch den Fotorezeptor 2 beleuchtet. Von einer Prozesssteuerung 5 empfängt das Sensorelement 1 ein Zeitsignal 6 und liefert in umgekehrter Richtung Zeitstempel 4 an die Prozesssteuerung 5 zurück.
  • Das Rasterelement 7 ist beispielsweise am Gurtband eines Fahrzeugs angeordnet, welches für einen Kollisionsversuch eingesetzt wird. Das Sensorelement 1 ist in dem Fahrzeug so angeordnet, dass sich das Gurtband mit dem Rasterelement 7 gegenüber dem Sensorelement 1 relativ bewegen kann, so dass das auf dem Rasterelement 7 angeordnete Raster unter dem Fotorezeptor 2 hindurchgezogen wird, wenn der Gurt aus- oder eingezogen wird. Ein Zeitstempel 4 wird hierbei zu jedem Zeitpunkt einer Signalflanke des Datenstroms des Fotorezeptors 2 erstellt, die dadurch entsteht, dass vor dem Fotorezeptor 2 ein Übergang des Rasterbandes 7 von hell nach dunkel oder von dunkel nach hell erfolgt. Dies zeigt der Prozesssteuerung 5 an, zu welchen Zeitpunkten ein solcher Übergang erreicht wird, also zu welchen Zeitpunkten eine bestimmte Wegstrecke des Gurtbandes überstrichen worden ist. Anstatt hierfür aber nun den gesamten Datenstrom des Fotorezeptors 2 an die Prozesssteuerung 5 weiterzuleiten, wertet das Sensorelement 1 diesen direkt aus und detektiert die darin auftretenden steigenden und fallenden Signalflanken. Bei jeder steigenden oder fallenden Signalflanke erzeugt das Sensorelement 1 einen Zeitstempel 4, welcher im Wesentlichen den Zeitpunkt des Auftretens einer Signalflanke beinhaltet. Dies verkürzt den Datenstrom zwischen dem Sensorelement 1 und der Prozesssteuerung 5 darauf, lediglich einzelne diskrete Werte zu versenden.
  • Beispielhaft zeigt 2 einen Ausschnitt des Rasterelements 7 in Form von vier schwarzen und drei weißen Streifen. Beim Überstreichen dieses Rasterelements 7 entsteht der unmittelbar darunter dargestellte Signalverlauf über der Zeit, welcher steigende und fallende Signalflanken 8 umfasst. Während das Rasterband 7 sich unter dem Sensorelement 1 hindurch bewegt, ist im gezeigten Bild eine Verlangsamung dargestellt, wodurch die steigenden und die fallenden Signalflanken 8 zunehmend weiter auseinander rücken, da es eine größere Zeit braucht, bis der nächste Hell-Dunkel-Übergang erreicht ist. Die wiederum unterhalb des Zeitstrahls angeordneten Pfeile markieren jeweils einen Zeitstempel 4, welcher zu dem jeweils mit dem Pfeil markierten Zeitpunkt von dem Sensorelement 1 erstellt und im Anschluss daran an die Prozesssteuerung 5 übermittelt wird. Anstelle eines durchgehenden Datenstroms, welcher noch bei der Prozesssteuerung 5 ausgewertet werden müsste, werden somit im gezeigten Beispiel der 2 lediglich sieben Datenpakete übertragen, welche jeweils einen Zeitstempel 4 umfassen und mit diesem einen Zeitpunkt auf der Zeitachse t festlegen, zu welchem eine steigende oder fallende Signalflanke 8 detektiert wurde.
  • Vorstehend beschrieben ist somit ein Verfahren zur Erfassung von Relativbewegungen zwischen einem Sensorelement und einem von dem Sensorelement abgetasteten Rasterelement, bei dem eine Übertragung des vollständigen Datenstroms eines Fotorezeptors vermieden und stattdessen lediglich eine Übertragung von Zeitstempeln realisiert wird. Aufgrund dieser Lösung ist es möglich, in äußerst kurzer Zeit die Information über eine erreichte Position relativ zu dem Rasterelement an eine Prozesssteuerung zu übermitteln und damit die weitere Verarbeitung insbesondere während des Ablaufs von Kollisionsversuchen zu beschleunigen.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Sensorelement
    2
    Fotorezeptor
    3
    Fotoemitter
    4
    Zeitstempel
    5
    Prozesssteuerung
    6
    Zeitsignal
    7
    Rasterelement
    8
    Signalflanke
    t
    Zeitachse

Claims (8)

  1. Verfahren zur Erfassung von Relativbewegungen zwischen einem Sensorelement (1) und einem von dem Sensorelement (1) abgetasteten Rasterelement (7), wobei das Sensorelement (1) einen Fotorezeptor (2) aufweist, welcher Veränderungen des Lichteinfalls über die Zeit erfasst und das Sensorelement (1) diese an eine mit dem Sensorelement (1) datenverbundene Prozesssteuerung (5) übermittelt, wobei durch das Überstreichen von Hell-Dunkel-Übergängen des Rasterelements (7) entstehende Signalflanken (8) detektiert werden, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (1) einen analogen Datenstrom des Fotorezeptors (2) auswertet und in Reaktion auf eine steigende oder fallende Signalflanke (8) einen Zeitstempel (4) erstellt und diesen an die Prozesssteuerung (5) versendet.
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (1) ein absolutes Zeitsignal (6) empfängt und der Zeitstempel (4) einen absoluten Zeitpunkt des Auftretens einer steigenden oder fallenden Signalflanke (8) umfasst.
  3. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement ein absolutes und/oder ein relatives Zeitsignal (6) empfängt und der Zeitstempel (4) einen relativen Zeitpunkt des Auftretens einer steigenden oder fallenden Signalflanke (8) mit Bezug auf ein auslösendes Ereignis als Startpunkt der relativen Zeitrechnung umfasst.
  4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitstempel (4) über einen einzelnen Messkanal übertragen wird, wobei es sich bei dem Zeitstempel (4) vorzugsweise um ein 16-Bit-Signal handelt.
  5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitstempel (4) parallel über mehrere Messkanäle übertragen wird, wobei es sich bei den Messkanälen vorzugsweise um 16-Bit-Messkanäle handelt.
  6. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Zeitstempel (4) eine Information darüber zugeordnet ist, ob es sich bei dem den Zeitstempel auslösenden Ereignis um eine steigende oder fallende Signalflanke (8) handelt.
  7. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (1) einen Fotoemitter (3) umfasst, welcher das Rasterelement (7) mit Licht bestrahlt.
  8. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rasterelement (7) einem Gurtband zugeordnet ist, insbesondere in Form eines Rasterbands auf dieses aufgeklebt ist.
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