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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erfassen einer Drehzahl eines Rades eines Fortbewegungsmittels und ein solches Fortbewegungsmittel.
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Aus dem Stand der Technik sind Raddrehzahlsensoren für Fortbewegungsmittel bekannt, welche auf Basis von Magnetencodern und mit diesen korrespondierenden Hall-Sensoren oder auf Basis von Impulsrädern und mit diesen korrespondierenden induktiven oder optischen Sensoren eingerichtet sind, Raddrehzahlen von Rädern eines Fortbewegungsmittels zu erfassen. Durch die Raddrehzahlsensoren erzeugte Signale werden für eine Vielzahl von Funktionen innerhalb der Fortbewegungsmittel eingesetzt. So kann beispielsweise eine Geschwindigkeit der Fortbewegungsmittel und/oder ein Reifenschlupf usw. auf Basis der Signale der Raddrehzahlsensoren ermittelt werden.
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Aus dem Stand der Technik sind des Weiteren halbautomatisch oder vollautomatisch fahrende Fortbewegungsmittel bekannt, welche für eine zuverlässige Steuerung der Fortbewegungsmittel u. a. auf sehr genaue Raddrehzahlinformationen angewiesen sind.
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Aus diesem Grund schlägt die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung und ein die Vorrichtung einsetzendes Fortbewegungsmittel zum Erfassen einer Drehzahl eines Rades des Fortbewegungsmittels vor, wobei die Vorrichtung eine höhere zeitliche Auflösung der Raddrehzahlinformation bereitstellen kann, als bekannte Systeme zur Raddrehzahlerfassung. Eine solche höhere Auflösung kann beispielsweise vorteilhaft zur Steigerung einer Zuverlässigkeit und/oder Sicherheit von Fahrerassistenzsystemen (z. B. ein Antiblockiersystem) und/oder Systemen für einen halbautomatischen oder automatischen Fahrbetrieb und darüber hinaus eingesetzt werden.
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Die Lösung der vorstehend identifizierten Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Die Unteransprüche haben bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.
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Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum Erfassen einer Drehzahl eines Rades eines Fortbewegungsmittels vorgeschlagen. Das Fortbewegungsmittel kann beispielsweise ein Straßenfahrzeug (z.B. Motorrad, PKW, Transporter, LKW) oder ein Schienenfahrzeug oder ein Luftfahrzeug/Flugzeug und/oder ein Wasserfahrzeug sein. Die Vorrichtung umfasst einen Encoderring, einen Drehzahlsensor, welcher ein erstes Sensorelement, ein zweites Sensorelement und ein drittes Sensorelement umfasst und eine Auswerteeinheit.
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Der Encoderring weist eine Mehrzahl wechselweise angeordneter erster Encoderelemente und zweiter Encoderelemente auf und ist derart in einem Bereich eines Rades des Fortbewegungsmittels rotierbar angeordnet, dass er in Übereinstimmung mit einer Rotation des Rades rotiert. Der Drehzahlsensor ist bezüglich einer Aufhängung des Rades unbeweglich angeordnet und ist eingerichtet, in Abhängigkeit einer jeweiligen Drehposition der ersten Encoderelemente und der zweiten Encoderelemente bezüglich des Drehzahlsensors, unterschiedliche Signale zu erzeugen. Die unterschiedlichen Signale können beispielsweise unterschiedliche Zustände und/oder Zustandswechsel repräsentieren, welche durch eine Relativbewegung des Encoderrings bezüglich des Drehzahlsensors hervorgerufen werden. Die jeweiligen Sensorelemente des Drehzahlsensors sind derart in einem vordefinierten Abstand zum Encoderring angeordnet, dass während einer Rotation des Encoderrings durch das erste Sensorelement, ein Wechsel von einem der ersten Encoderelemente zu einem der zweiten Encoderelemente zu einem Zeitpunkt erfasst wird, zu dem durch das dritte Sensorelement ein Wechsel von einem der zweiten Encoderelemente zu einem der ersten Encoderelemente erfasst wird und zu dem das zweite Sensorelement eines der ersten Encoderelemente zur Hälfte durchlaufen hat. Die Auswerteeinheit kann beispielsweise als ASIC, FPGA, Prozessor, digitaler Signalprozessor, Mikrocontroller, o. ä., ausgestaltet sein. Ferner kann die Auswerteeinheit mit einer internen und/oder extern angebundenen Speichereinheit informationstechnisch verbunden sein. Darüber hinaus ist die Auswerteeinheit mittels jeweiliger Dateneingänge informationstechnisch mit dem ersten Sensorelement, dem zweiten Sensorelement und dem dritten Sensorelement verbunden und eingerichtet, auf Basis eines durch das erste Sensorelement erzeugten ersten Signals, auf Basis eines durch das zweite Sensorelement erzeugten zweiten Signals und auf Basis eines durch das dritte Sensorelement erzeugten dritten Signals ein viertes Signal zu erzeugen, welches die Drehzahl des Rades repräsentiert. Die Auswerteeinheit ist zusätzlich eingerichtet, das vierte Signal mittels eines Datenausgangs der Auswerteeinheit in einem Bordnetz des Fortbewegungsmittels zur Verfügung zu stellen. Auf Basis der vorstehend beschriebenen Konfiguration ist die erfindungsgemäße Vorrichtung eingerichtet, eine zeitliche Auflösung einer durch das vierte Signal repräsentierten Raddrehzahlinformation im Vergleich zu einer aus dem Stand der Technik bekannten Auflösung zu erhöhen und in dieser konkreten Ausgestaltung zu verdoppeln. Durch die erhöhte zeitliche Auflösung können insbesondere Reaktionszeiten in Steuergeräten des Fortbewegungsmittels reduziert werden, welche das vierte Signal empfangen und verarbeiten.
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In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dass sie jeweiligen Sensorelemente des Drehzahlsensors unmittelbar benachbart zueinander und/oder entlang des Encoderrings beabstandet zueinander angeordnet sein können. Eine unmittelbar benachbarte Anordnung kann in Abhängigkeit einer Ausdehnung der jeweiligen Sensorelemente erschwert oder unmöglich sein, weshalb vorteilhaft eine Verteilung der jeweiligen Sensorelemente entlang des Encoderrings vorgesehen sein kann. Hierbei ist zu beachten, dass die oben genannte relative Anordnung der jeweiligen Encoderelemente bezüglich jeweiliger Sensorelemente unverändert beibehalten werden muss. So kann beispielsweise jedes der Sensorelemente in einem Bereich eines jeweiligen Drittels eines Umfangs des Encoderrings angeordnet werden. Da eine Anbindung separater Leitungen zwischen den jeweiligen Sensorelementen und der Auswerteeinheit bei einer verteilten Anordnung der Sensorelemente aufwändig sein kann, können die Sensorelemente auch in davon abweichenden kürzeren Abständen zueinander angeordnet werden.
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Besonders bevorzugt kann der Encoderring als ein Magnetencoder ausgestaltet sein, dessen erster Encoderelemente und zweite Encoderelemente aus wechselweise zum Drehzahlsensor ausgerichteten magnetischen Nord- und Südpolen bestehen, wobei die jeweiligen korrespondierenden Sensorelemente Hall-Sensorelemente sind. Ein solcher Magnetencoder kann bevorzugt in eine Radlagerdichtung integriert sein, ohne auf eine solche Anordnung eingeschränkt zu sein. Alternativ oder zusätzlich kann der Encoderring ein Impulsrad sein, welches über eine Mehrzahl von Aussparungen (z. B. Nuten, Bohrungen, usw.) verfügt, wobei die Aussparungen jeweils einem der beiden Encoderelemente entsprechen, während Bereiche zwischen den Aussparungen den jeweils anderen der beiden Encoderelemente entsprechen. Jeweilige mit dem Impulsrat korrespondierende Sensorelemente können beispielsweise induktive und/oder optische Sensorelemente sein.
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Die erfindungsgemäße Auswerteeinheit kann zudem ein Bestandteil des Drehzahlsensors selbst und/oder ein Bestandteil eines dedizierten Steuergerätes und/oder ein Bestandteil eines bestehenden Steuergerätes des Fortbewegungsmittels sein. Zudem kann die Auswerteeinheit eingerichtet sein, Informationen über die Drehzahl des Rades über eine 10-Mbit/s und/oder eine 100-Mbit/s Ethernet-Verbindung und/oder eine CAN-Verbindung und/der eine Flexray-Verbindung des Bordnetzes des Fortbewegungsmittels im Fortbewegungsmittel bereitzustellen.
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Vorteilhaft kann die Auswerteeinheit eingerichtet sein, auf Basis einer Abfolge vordefinierter Änderungen im ersten Signal, im zweiten Signal und im dritten Signal eine Laufrichtung des Rades zu ermitteln und/oder die jeweiligen Signale untereinander zu plausibilisieren. Die für das Ermitteln einer jeweiligen Laufrichtung des Rades erforderlichen Abfolgen können bevorzugt in Form vordefinierter Abfolgen in der an die Auswerteeinheit angebundenen Speichereinheit abgelegt sein und mit den jeweiligen empfangenen Signalen der jeweiligen Sensorelemente auf Basis eines durch die Auswerteinheit ausgeführten Computerprogramms abgeglichen werden. Ferner kann die Auswerteeinheit eingerichtet sein, einen Ausfall eines oder mehrerer Sensorelemente automatisch zu ermitteln und das Erzeugen des vierten Signals im Ansprechen darauf anzupassen. Beispielsweise kann die Auswerteeinheit bei einem Ausfall eines der drei Sensorelemente eine Raddrehzahlinformation und eine Information über eine Laufrichtung des Rades mit einer reduzierten zeitlichen Auflösung im vierten Signal ausgeben. Bei einem Ausfall von zwei der drei Sensorelemente kann die Auswerteeinheit zumindest die Raddrehzahlinformation ohne eine Information über die Laufrichtung des Rades im vierten Signal ausgeben. Bevorzugt kann das vierte Signal zusätzlich eine Information über eine Anzahl ausgefallener Sensorelemente umfassen, so dass jeweilige Steuergeräte, welche das vierte Signal empfangen und verwenden, einen jeweiligen Fehlerzustand des Drehzahlsensors berücksichtigen können.
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Darüber hinaus ist es denkbar, dass der Drehzahlsensor zusätzlich vierte Sensorelemente und/oder fünfte Sensorelemente umfasst, welche derart in einem vordefinierten Abstand zum Encoderring angeordnet sind, dass eine Auflösung der im vierten Signal enthalten Information über die Raddrehzahlen weiter erhöht wird. Ferner ist es denkbar, die Anzahl der Sensorelemente für die erfindungsgemäße Vorrichtung darüber hinaus zu erhöhen.
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Unabhängig von einer verwendeten Anzahl von Sensorelementen ist das vierte Signal eingerichtet, in einem Fahrerassistenzsystem und/oder einem System für einen halbautomatischen und/oder einen automatischen Fahrbetrieb des Fortbewegungsmittels verwendet zu werden. Darüber hinaus ist es auch möglich, das vierte Signal in davon abweichenden Steuergeräten und/oder Systemen des Fortbewegungsmittels zu verwenden. Die erhöhte Auflösung der durch die erfindungsgemäße Vorrichtung bereitgestellten Raddrehzahlinformation, kann zum einen verwendet werden, um einen Reifenschlupf exakter zu detektieren (beispielsweise in einem Bremsregelsystem) und kann zum anderen verwendet werden, um eine Änderung einer Geschwindigkeit bzw. einer Beschleunigung des Fortbewegungsmittels schneller feststellen zu können, wodurch die Raddrehzahlinformation nutzende Steuergeräte im Fortbewegungsmittel entsprechend schneller auf eine solche veränderte Fahrsituation reagieren können.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Fortbewegungsmittel vorgeschlagen, welches eine Vorrichtung gemäß dem erstgenannten Erfindungsaspekt umfasst. Die Merkmale, Merkmalskombinationen sowie die sich aus diesen ergebenden Vorteile entsprechen den in Verbindung mit dem erstgenannten Erfindungsaspekt ausgeführten derart ersichtlich, dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die obigen Ausführungen verwiesen wird.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren. Es zeigen:
- 1 eine schematische Übersicht über Komponenten einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
- 2 eine schematische Übersicht über Komponenten einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in Verbindung mit einem Fortbewegungsmittel.
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1 zeigt eine schematische Übersicht über Komponenten einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Erfassen einer Drehzahl eines (nicht gezeigten) Rades eines (nicht gezeigten) Fortbewegungsmittels. Die Vorrichtung umfasst einen Encoderring 30, welcher sich aus wechselweise angeordneten magnetischen Süd- und Nordpolen zusammensetzt, wobei die magnetischen Nordpole hier erste Encoderelemente 32 und die magnetischen Südpole zweite Encoderelemente 34 des Encoderrings 30 repräsentieren. Der Encoderring ist in einem Dichtring eines Radlagers 75 des Rades des Fortbewegungsmittels angeordnet. Die Vorrichtung umfasst des Weiteren einen Drehzahlsensor 40, welcher sich aus einem ersten Hall-Sensorelement 42, einem zweiten Hall-Sensorelement 44 und einem dritten Hall-Sensorelement 46 zusammensetzt. Die jeweiligen Hall-Sensorelemente 42, 44, 46 sind in einem vordefinierten Abstand zum Encoderring und derart in einem vordefinierten Abstand zueinander angeordnet, dass durch das erste Hall-Sensorelement 42 ein Wechsel von einem der ersten Encoderelemente 32 zu einem der zweiten Encoderelemente 34 zu einem Zeitpunkt erfasst wird, zu dem durch das dritte Hall-Sensorelement 46 ein Wechsel von einem der zweiten Encoderelemente 34 zu einem der ersten Encoderelemente 32 erfasst wird und zu dem das zweite Hall-Sensorelement 44 eines der ersten Encoderelemente 32 zur Hälfte durchlaufen hat. Ferner umfasst die Vorrichtung eine Auswerteeinheit 10, welche hier ein Mikrocontroller ist und welche mit einer Speichereinheit 20 informationstechnisch verbunden ist. Mittels jeweiliger Dateneingänge 12 ist die Auswerteeinheit darüber hinaus informationstechnisch mit den jeweiligen Hall-Sensorelementen 42, 44, 46 verbunden. Die Hall-Sensorelemente 42, 44, 46 übertragen jeweilige erste, zweite und dritte Stromsignale an die Auswerteeinheit 10, welche durch die Auswerteeinheit 10 mittels einer A/D-Wandlung in digitale erste, zweite und dritte Signale gewandelt werden. Die Auswerteeinheit 10 wertet die jeweiligen digitalen Signale auf Basis eines Algorithmus' aus, welcher durch ein Computerprogramm realisiert ist, um ein viertes Signal zu erzeugen, welches einerseits eine Information über die aktuelle Drehzahl des Rades und andererseits eine Information über eine Drehrichtung des Rades umfasst. Aufgrund des Aufbaus der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann das vierte Signal mit einer besonders hohen zeitlichen Auflösung erzeugt werden. Die Drehrichtung des Rades kann dadurch ermittelt werden, dass der Algorithmus jeweilige erwartete vordefinierte Abfolgen vordefinierter Änderungen im ersten, im zweiten und im dritten Signal mit tatsächlichen Änderungen im ersten, zweiten und dritten Signal abgleicht. Eine Abfolge der Änderungen in den Signalen kann zur Erkennung eines Rechtslaufs des Rades beispielsweise wie folgt vordefiniert sein:
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Zunächst detektiert das erste Hall-Sensorelement 42 einen Wechsel von einem Südpol zu einem Nordpol, das zweite Hall-Sensorelement 44 detektiert einen Nordpol und das dritte Hall-Sensorelement 46 detektiert einen Wechsel von einem Nordpol zu einem Südpol. Anschließend detektiert das erste Hall-Sensorelement 42 einen Nordpol, das zweite Hall-Sensorelement 44 detektiert einen Wechsel von einem Nordpol zu einem Südpol und das dritte Hall-Sensorelement 46 detektiert einen Südpol. Anschließend detektiert das erste Hall-Sensorelement 42 einen Wechsel von einem Nordpol zu einem Südpol, das zweite Hall-Sensorelement 44 detektiert einen Südpol und das dritte Hall-Sensorelement 46 detektiert einen Wechsel von einem Südpol zu einem Nordpol. Anschließend detektiert das erste Hall-Sensorelement 42 einen Südpol, das zweite Hall-Sensorelement 44 detektiert einen Wechsel von einem Südpol zu einem Nordpol und das dritte Hall-Sensorelement 46 detektiert einen Nordpol.
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Analog kann eine entsprechend angepasste Abfolge von Änderungen in den ersten, zweiten und dritten Signalen für einen Linkslauf des Rades abgeleitet und verwendet werden.
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Das durch die Auswerteeinheit 10 erzeugte vierte Signal wird durch die Auswerteeinheit 10 an ein Fahrerassistenzsystem 50 des Fortbewegungsmittels übertragen, welches über einen Datenausgang 14 der Auswerteeinheit 10 informationstechnisch mit der Auswerteeinheit 10 verbunden ist. Aufgrund der hohen zeitlichen Auflösung des vierten Signals wird für die Anbindung der Auswerteeinheit 10 an das Fahrerassistenzsystem 50 eine 10-Mbit/s Ethernet-Verbindung eingesetzt, welche ein Bestandteil eines Bordnetzes des Fortbewegungsmittels ist.
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2 zeigt eine schematische Übersicht über Komponenten einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in Verbindung mit einem Fortbewegungsmittel 80. Das Fortbewegungsmittel 80 umfasst einen magnetbasierten Encoderring 30, welcher im Bereich eines Rades 70 des Fortbewegungsmittels 80 angeordnet ist und welcher in Übereinstimmung mit einer Rotation des Rades 70 rotiert. In einem vordefinierten Abstand zum magnetbasierten Encoderring 30 ist ein unbeweglich am Fortbewegungsmittel 80 angeordneter Drehzahlsensor 40 vorgesehen, welcher sich aus einem ersten Hall-Sensorelement 42, einem zweiten Hall-Sensorelement 44 und einem dritten Hall-Sensorelement 46 zusammensetzt. Die jeweiligen Hall-Sensorelemente 42, 44, 46 sind mit jeweiligen Dateneingängen 12 einer Auswerteeinheit 10 informationstechnisch verbunden, wobei die Auswerteeinheit 10 hier ein ASIC ist. Die Auswerteinheit 10 ist mit einer externen Speichereinheit 20 informationstechnisch verbunden, in welcher durch die Auswerteeinheit 10 empfangene Informationen der jeweiligen Hall-Sensorelemente 42, 44, 46 für eine nachgelagerte Verarbeitung durch die Auswerteinheit 10 abgelegt werden. Auf Basis dieser Konfiguration und auf Basis eines durch die Auswerteeinheit 10 ausgeführten Computerprogramms ist die Auswerteeinheit 10 eingerichtet, eine Drehzahl und eine Laufrichtung des Rades 70 mit einer besonders hohen zeitlichen Auflösung zu ermitteln. Ein Ergebnis des Ermittelns wird in Form eines vierten Signals über einen Datenausgang 14 der Auswerteeinheit 10 zu einem informationstechnisch an die Auswerteeinheit 10 angebundenen Fahrerassistenzsystem 50 des Fortbewegungsmittels 80 übertragen und dort verwendet.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Auswerteeinheit
- 12
- Dateneingang
- 14
- Datenausgang
- 20
- Speichereinheit
- 30
- Encoderring
- 32
- erstes Encoderelement
- 34
- zweites Encoderelement
- 40
- Drehzahlsensor
- 42
- erstes Hall-Sensorelement
- 44
- zweites Hall-Sensorelement
- 46
- drittes Hall-Sensorelement
- 50
- Fahrerassistenzsystem
- 70
- Rad
- 75
- Radlager
- 80
- Fortbewegungsmittel
