-
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
-
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Erkennen des Auftretens von Niederschlag auf einem Fahrzeugfenster zur automatischen Aktivierung eines Scheibenwischersystems und insbesondere die Regenerkennung durch mechanisches Erfassen und digitale Verarbeitung akustischer Metriken eines erfassten Vibrationssignals.
-
Automatische Windschutzscheibenwischersteuersysteme, die den Scheibenwischerbetrieb/die Scheibenwischergeschwindigkeit entsprechend dem Auftreten von Feuchtigkeit oder der Intensität des Niederschlags auf der Windschutzscheibe anpassen, sind im Stand der Technik bekannt. Derartige Systeme beinhalten üblicherweise ein elektronisches Steuermodul, das mit einem Scheibenwischerarmantriebsmotor verbunden ist. Das Steuermodul passt den Betrieb und die Geschwindigkeit des Scheibenwischerarmantriebsmotors in Reaktion auf einen sensorischen Input an. Optische Sensoren sind die gängigste Wahl zum Erfassen von Feuchtigkeit. Eine Anordnung auf einem Fenster (z. B. in der Nähe des Rückspiegels) ermöglicht es einem Sensor, basierend auf Veränderungen der Lichtreflexion, wenn Wasser vorhanden ist, Feuchtigkeit zu erkennen. Feuchtigkeit muss jedoch genau innerhalb des kleinen Feldes des optischen Sensors konzentriert sein, damit er ordnungsgemäß funktioniert. Schmutz oder andere Substanzen auf der Windschutzscheibe können manchmal als Feuchtigkeit ausgelegt werden, was die Scheibenwischer fälschlicherweise auslöst. Außerdem sind die Sensoren verhältnismäßig teuer und sind nur in Zusammenhang mit einer Regenerkennung sinnvoll. Es wäre wünschenswert, die Regenerkennungsleistung zu verbessern, Sensorkosten zu verringern, die Packgröße zu verkleinern und eine Sensortechnologie einzuführen, die andere Typen von Funktionalität unterstützt.
-
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
-
In einem Aspekt der Erfindung umfasst ein Regendetektor für ein Fahrzeugfenster einen Beschleunigungsmesser, der an dem Fenster montiert ist, um ein Vibrationssignal zu erzeugen. Ein Prozessor verwendet das Vibrationssignal, um eine vorbestimmte psycho-akustische Metrik zu berechnen. Ein Diskriminator vergleicht die berechnete psycho-akustische Metrik mit einem Schwellenwert, der Regen anzeigt, der auf das Fenster trifft.
-
Aufgrund des Verwendens eines flachen Beschleunigungsmessers auf der Windschutzscheibe zum Aufnehmen von Geräuschvibrationen ist es möglich, kontinuierlich verschiedene Ereignisse innen und außen zu überwachen. Die Windschutzscheibe oder ein anderes Fenster dienen als Dämpfer, sodass der Beschleunigungsmesser als Mikrofon fungiert. Eine digitale Signalverarbeitung wird auf das sich ergebende Geräusch angewendet, um die Eigenheit von Regen, der auf die Windschutzscheibe trifft, von anderen Arten von inneren und äußeren Geräuschen, denen das Fahrzeug begegnet, zu unterscheiden. Serienmäßig hergestellte Beschleunigungsmesser sind zu sehr geringen Kosten erhältlich, trotzdem ist die resultierende Regenerkennungsleistung stabil und zuverlässig. Die Vorrichtungen weisen eine geringe Größe auf, die leicht innerhalb einer Rückspiegelanordnung oder an einer anderen geeigneten Stelle angeordnet werden kann. Auf die Windschutzscheibe fallender Regen erzeugt ein sehr deutliches Schallprofil, das verwendet werden kann, um einen Regenzustand zu erkennen. Außerdem kann das Vibrationssignal auch zum Erkennen anderer Ereignisse nützlich sein, wie beispielsweise eines Sirenengeräusches von einem Einsatzfahrzeug.
-
Figurenliste
-
- 1 ist ein Systemdiagramm eines automatischen Scheibenwischersystems an einem Fahrzeug.
- 2 zeigt einen Beschleunigungsmesser, der an einem Fahrzeugfenster montiert ist und mit elektronischen Komponenten zum Erkennen von Regen verbunden ist.
- 3 ist ein Blockdiagramm, das ausführlicher elektronische Komponenten der Erfindung zeigt.
- 4 ist ein Graph, der einen Artikulationsindex zeigt, der für Signale berechnet wird, die beim Auftreten von Regen und anderen Vibrationsstörungen erfasst werden.
- 5 ist ein Diskriminator zum Erzeugen eines Scheibenwischerbefehlssignals basierend auf einem berechneten Artikulationsindex.
- 6 ist ein Graph, der eine Schärfe zeigt, die für Signale berechnet wird, die beim Auftreten von Regen und anderen Vibrationsstörungen erfasst werden.
- 7 ist ein Graph, der eine Rauigkeit zeigt, die für Signale berechnet wird, die beim Auftreten von Regen und anderen Vibrationsstörungen erfasst werden.
- 8 ist ein Blockdiagramm, das eine weitere Ausführungsform eines Diskriminators zeigt.
-
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
-
1 zeigt einen Abschnitt eines Fahrzeugs 10, der eine Windschutzscheibe 11 beinhaltet, die auf einer Fahrzeugkarosserie 12 gehalten wird. Ein Scheibenwischerarm 13, der ein Scheibenwischerblatt 14 hält, ist drehbar mit einem Scheibenwischermotor 15 gekoppelt. Eine Scheibenwischersteuerung 16 aktiviert den Motor 15 in Reaktion auf manuelle Befehle eines von einer Bedienperson gesteuerten Schalters (nicht dargestellt) oder automatisch in Reaktion auf ein Regenerkennungssignal von einem Regendetektor 17. Die Erfindung benutzt einen Vibrationssensor 18 zum Charakterisieren von Vibrationen der Windschutzscheibe 11 (oder eines anderen Fahrzeugfensters, einschließlich einer Heckscheibe), die von dem Regendetektor 17 analysiert werden. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst ein Sensor 18 einen Beschleunigungsmesser, der direkt an der Windschutzscheibe 11 innerhalb einer Rückspiegelanordnung 20 montiert ist. Ein Drahtbündel 21 für die Anordnung 20 beinhaltet einen Draht zum Verbinden des Sensors 18 mit dem Detektor 17.
-
2 zeigt ausführlicher eine bevorzugte Ausführungsform. Der Sensor 18 beinhaltet einen Beschleunigungsmesser 25, der klebend an der Windschutzscheibe 11 montiert ist. Der Beschleunigungsmesser 25 kann beispielsweise ein Quarz-Scherelement in einem Stahlgehäuse beinhalten, wie beispielsweise einen Beschleunigungsmesser des Modells 3032M9, dass bei Dytran Instruments, Inc. aus Chatsworth, Kalifornien erhältlich ist. Ein niedriges Profil und eine Miniaturgröße des Beschleunigungsmessers 25 sind gut geeignet, um innerhalb der Aufstellfläche einer üblichen Rückspiegelanordnung für eine unauffällige Anordnung zu passen. Der Beschleunigungsmesser 25 ist derart ausgerichtet, dass seine Sensorachse senkrecht zu der Fläche der Windschutzscheibe 11 verläuft. Ein Koaxialkabel 26 überträgt ein Beschleunigungsmessersignal über Anschlussstecker 27 und 28 (z. B. BNC-Anschlüsse) an eine Signalaufbereitungsschaltung 29 (wie zum Beispiel einen Verstärker). Das aufbereitete Beschleunigungsmessersignal wird dem Regendetektor 17 bereitgestellt, der einen Analog-Digital-Wandler 30 und einen Metrikprozessor 31 beinhaltet.
-
Der physikalische Akt, wenn Wasser (z. B. Regen) auf das Windschutzscheiben-„Mikrofon“ trifft, erzeugt ein bestimmtes Geräuschprofil. Diese Erfindung hat bestimmte Metriken identifiziert, durch welche dieses Geräuschprofil von anderen Arten von Geräuschen unterschieden werden kann. Die Erfindung verwendet vorzugsweise insbesondere bekannte psycho-akustische Metriken, wie beispielsweise Artikulationsindex, Schärfe und Rauigkeit, und identifiziert für jede Metrik einen entsprechenden Schwellenwert, der das Geräusch von Regen auf der Windschutzscheibe deutlich von anderen Innen- und Außengeräuschen, die vorhanden sein können, unterscheidet. Um die Funktion eines automatischen Scheibenwischers zu unterstützen, legt der Grenzwert einen Auslöseimpuls zum Aktivieren des Scheibenwischersystems fest. Wie in 3 gezeigt, kann der Metrikprozessor 31 ausgelegt sein, um die Metrikberechnung 32 der digitalen Signalverarbeitung (digital signal processing - DSP) durchzuführen, wobei die sich ergebende psycho-akustische Metrik von einem Diskriminator 33 geprüft wird, der ein automatisches Scheibenwischer-An/Aus-Befehlssignal erzeugt.
-
Eine erste Ausführungsform der in 4 gezeigten psycho-akustischen Metrik besteht aus einem Artikulationsindex. Der Artikulationsindex (AI) bewertet die Sprachverständlichkeit innerhalb einer bestimmten lauten Umgebung oder über einen bestimmten Übertragungskanal. Insbesondere bewertet er einen Prozentsatz von Spracheinheiten, die von einem Zuhörer erkannt und verstanden werden. Um den AI zu berechnen, werden Signal-Rausch-Verhältnisse (signal-to-noise ratios - SNR) für mehrere getrennte Frequenzbänder gewichtet und summiert. Beim Analysieren des AI bestimmter Geräusche, bei denen kein Sprachsignal zum Vergleich vorhanden ist, erfolgen die SNR-Berechnungen bei einem idealisierten Geräuschspektrum, das üblicherweise zwischen 0 dB und 30 dB definiert ist. Jedes Signal, das 30 dB oder größer als das idealisierte Geräusch für ein Frequenzband ist, wird auf 100 % eingestellt, und jedes Signal, das 0 dB oder weniger als das idealisierte Geräusch ist, wird auf 0 % eingestellt. Ein allgemein verwendeter Algorithmus zum Berechnen des AI verwendet etwa 5 Bänder eines Terzbandes zwischen 200 Hz und 6300 Hz. DSP-Hardware und -Softwarepakete sind zur Berechnung des AI % sowie der Schärfe, Rauigkeit und anderer, in dieser Erfindung sinnvoller psycho-akustischer Metriken verfügbar, wie beispielsweise die ArtemiS Suite, die bei HEAD Acoustics GmbH aus Herzogenrath, Deutschland, erhältlich ist.
-
4 zeigt die Ergebnisse der Analyse von Daten, die von einem Beschleunigungsmesser erfasst werden, der an einer Windschutzscheibe eines Fahrzeugs montiert ist, das verschiedenen Bedingungen unterworfen wurde, die entsprechende Vibrationen oder Geräusche der Windschutzscheibe verursacht haben. Das Fahrzeug wurde zum Beispiel einem groben Straßengeräusch bei geringer Geschwindigkeit, einer Autobahnfahrt bei hoher Geschwindigkeit mit großen Mengen an Straßen- und Windgeräuschen, einem HLK-Betrieb mit Gebläsegeräuschen aus Defroster- und Verkleidungslüftungsöffnungen, Außengeräuschen von Dingen wie Fahrzeughupen, Innengeräuschen (z. B. Musik) von einem Audiosystem und Gesprächen zwischen Fahrgästen in dem Fahrzeug ausgesetzt. Unter Verwendung abgetasteter Daten, die jeder Bedingung entsprechen, die für einen langen Fahrzyklus erhalten werden, sind entsprechende Diagramme der berechneten AI-Werte für jede Bedingung in 4 gezeigt. Der AI %-Wert für Regen, der auf die Windschutzscheibe trifft, ist als durchgezogene Linie 35 dargestellt, die über den gesamten Datenerfassungszeitraum fast bei null bleibt (z. B. weniger als etwa 2 %). Im Gegensatz dazu sind AI %-Werte für alle anderen Prüfbedingungen, die durch gestrichelte Linien dargestellt sind, verhältnismäßig höher. Die niedrigsten AI %-Werte für die anderen Bedingungen entsprechen HLK-Geräuschen, die nicht tiefer als etwa 30 % gehen. Daher kann ein Schwellenwert 36 irgendwo zwischen wenigen Prozent und etwa 25 % festgelegt werden, der zuverlässig zwischen Regen und allen anderen Geräuschquellen unterscheidet. Der Grenzwert 36 kann vorzugsweise etwa 5 % bis etwa 10 % betragen. Andere Definitionen oder Berechnungsverfahren können auch für den AI % verwendet werden, welche negative Ergebnisse (d. h. weniger als 0 %) oder Ergebnisse größer als 100 % erlauben, aber der Wert eines entsprechenden Grenzwertes würde entsprechend angepasst werden.
-
5 zeigt den Diskriminator 33, der eine Konfiguration zum Vergleichen der berechneten AI-Metrik mit dem Grenzwert 36 unter Verwendung eines Komparators 37 aufweist. Der berechnete Wert für AI % ist mit einem invertierenden Eingang des Komparators 37 gekoppelt und der Schwellenwert 36 ist mit einem nicht invertierenden Eingang gekoppelt. Solange kein Niederschlag auf der Windschutzscheibe vorhanden ist, liegt der Wert von AI % über dem Schwellenwert 36. Unter derartigen Bedingungen hält der verhältnismäßig höhere Pegel von AI % den Ausgang des Komparators 37 auf einem niedrigen Logikpegel, sodass ein Regenerkennungssignal, das als Scheibenwischer-An/Aus-Befehlssignal verwendet werden kann, die Scheibenwischer ausgeschaltet lässt. Bei dem Vorhandensein von Niederschlag fällt der Wert von AI % unter den Schwellenwert 36 und der Komparatorausgang steigt auf einen hohen Logikpegel, der die Erkennung von Regen anzeigt und die Scheibenwischer aktiviert.
-
Eine zweite Ausführungsform der in 6 gezeigten psycho-akustischen Metrik besteht aus akustischer Schärfe (S). Schärfe ist eine Metrik in Reaktion auf den Frequenzinhalt eines Geräusches. Sie ist proportional zu dem Verhältnis eines hohen Frequenzgeräuschpegels zu einem allgemeinen Geräuschpegel. Schärfe weist Acum-Einheiten auf und wird vorzugsweise gemäß dem Standard DIN-45692 berechnet. Das Berechnen von S beinhaltet bei zum Beispiel üblicherweise eine Summe oder gewichtete Teilmomente einer spezifischen Lautstärke, dividiert durch die Gesamtlautstärke. 6 zeigt eine Linie 40 für die Schärfe S für Windschutzscheibenvibrationen, die durch Regen verursacht werden, die einen durchschnittlichen Wert von etwa 4,8 Acum aufweist und durchgehend über 4,2 Acum bleibt. Die berechnete Schärfe S für alle anderen Schallquellen bleibt durchgehend unter etwa 4,0 Acum. Somit kann ein Schärfenschwellenwert 41 in einem Bereich von etwa 3,8 bis etwa 4,3 Acum verwendet werden, mit einem am stärksten bevorzugten Schwellenwert von etwa 4,1 Acum. Um eine Fehlauslösung bei Spitzen oder Tiefpunkten der berechneten Signale zu vermeiden, kann vor einem Vergleich mit dem Schwellenwert eine zeitliche Mittelwertbildung verwendet werden.
-
Eine dritte Ausführungsform der in 7 gezeigten psycho-akustischen Metrik besteht aus akustischer Rauigkeit (R). Rauigkeit ist eine Metrik, die eine Reaktion des menschlichen Ohrs auf Pulsationen oder Schläge nachbildet, die aufgrund des zeitveränderlichen Frequenzinhalts von Geräuschen auftreten. Sie wird in der Einheit Asper berechnet. Eine Rauigkeit von 1 Asper ergibt sich, wenn ein Sinuston von 1 kHz mit einem Pegel von 60 dB bei einer Frequenz von 70 Hz moduliert wird. 7 zeigt eine Linie 45 für die Rauigkeit R für Windschutzscheibenvibrationen, die durch Regen verursacht werden, die einen durchschnittlichen Wert von etwa 6 Asper aufweist und durchgehend über 5 Asper bleibt. Die berechnete Rauigkeit R für alle anderen Schallquellen bleibt durchgehend unter etwa 4 Asper. Somit kann ein Rauigkeitsschwellenwert 46 in einem Bereich von etwa 4 bis etwa 5,2 Asper verwendet werden, mit einem am stärksten bevorzugten Schwellenwert von etwa 5 Asper.
-
Unter Verwendung einer der vorstehenden Metriken beinhaltet die Erfindung ein Verfahren zum Betätigen eines Scheibenwischersystems für ein Fahrzeugfenster. Während des Fahrzyklus eines Fahrzeugs misst eine Steuerung (wie zum Beispiel eine Steuerung in einem Karosseriesteuermodul) Fenstervibrationen mit einem Beschleunigungsmesser, der an dem Fenster befestigt ist. Die Steuerung berechnet eine psycho-akustische Metrik basierend auf den gemessenen Vibrationen, wobei die Metrik aus Artikulationsindex, Schärfe oder Rauigkeit bestehen kann. Die berechnete Metrik wird mit einem Schwellenwert verglichen, der auf das Fenster treffenden Regen anzeigt. Das Scheibenwischersystem wird gemäß einem Ergebnis des Vergleichs aktiviert.
-
Eine Regenerkennung kann auf dem Verwenden von nur einer psycho-akustischen Metrik basieren. Alternativ können Metriken kombiniert werden, wie in 8 gezeigt. Somit wird die Ausgabe des Komparators 37 basierend auf seinem Vergleich zwischen berechnetem AI % und dem AI-Schwellenwert mit einer Eingabe eines Logikblocks 50 gekoppelt. Die berechnete Schärfe S wird von einem Komparator 51, der dem Logikblock 50 ein Vergleichsergebnis bereitstellt, mit einem Schärfenschwellenwert verglichen. Die berechnete Rauigkeit R wird von einem Komparator 52, der dem Logikblock 50 ein Vergleichsergebnis bereitstellt, mit einem Rauigkeitsschwellenwert verglichen. Der Logikblock kann basierend auf einer vorbestimmten Anzahl der psycho-akustischen Metriken, die eine Regenerkennung anzeigen, ein Wahlschema zum Erzeugen eines Scheibenwischer-An/Aus- Befehlssignals ausführen. Die vorbestimmte Anzahl kann auf eine, zwei oder alle drei Regen anzeigende Metriken eingestellt werden.
-
In der vorstehenden Beschreibung wurde eine Regenerkennung unter Verwendung eines stabilen und kostengünstigen Wandlers, um eine automatische Scheibenwischerbetätigung auszulösen, gezeigt. Die Erkennung deckt die gesamte Fensterscheibe ab, sodass das Wasser nicht erforderlich ist, um insbesondere den kleinen optischen Sensor zu treffen, wie bei Vorgängersystemen. Die Erfindung lässt sich leicht sowohl auf der hinteren Scheibe als auch auf der vorderen Scheibe umsetzen. Die bevorzugten Beschleunigungsmesser mit hohem Volumen erreichen bedeutend geringere Kosten als bekannte optische Sensoren. Außerdem kann die Anordnung eines Beschleunigungsmessers auf der Scheibe für andere Funktionalitäten sinnvoll sein, wie zum Beispiel Sirenenerkennung von Einsatzfahrzeugen, Bahnübergangssignale, Fahrzeughupen oder andere Geräusche, basierend auf eindeutigen Profilen der Erkennung von Geräuschsignalen, die auf die Windschutzscheibe auftreffen.
