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System zur Spurführung eines Fahrzeugs Die Erfindung betrifft ein
System zur Spurführung eines Fahrzeugs, bei dem im Fahrzeug eine Sendeeinrichtung
angeordnet ist, die ein induktives Wechselstromfeld erzeugt, das entweder in hintereinander
ringförmig in die Fahrbahn gelegte geschlossene Leiterkreise eingekoppelt wird,
deren von diesen Wechselstromen hervorgerufene Felder von einer fahrzeugseitigen
Empfangsanlage aufgenormen werden, oder das von einem in der Fahrspur verleiten
Leiter oder von in der Fahrspur verlegten ferromagnetischen Körpern in seiner Gestalt
fahrzeuglage-abhängig eine Veränderung erfährt, welche von einer fahrzeugseitigen
Empfangsanlage aufgenommen und ausgewertet wird.
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Spurführungssysteme sind bereits mehrfach vorgeschlagen worden. Sie
finden zur Zeit bereits praktischeb Einsatz bei dor Erprobung neuer fahrzeuge und
bei Untersuchungen, die im Rahmen der Neuentwicklung von Kraftfahrzeugreifen
durchgeführt
werden. Es sind unter den bekannten zur führungssystem zwei Hauptgruppen voneinander
zu unter scheiden. Bei der ersten Hauptgruppe sind in der Bahrbahn aktiv strahlende
Elemente verlegt, z.B. ein Kabel oder eine Leiterschleife, an die jeweils Sender
angeschlossen sind Im Fahrzeug ist dann nur noch eine Empfangseinrichtung angeordnet,
vermittels der die von dem Kabel oder der Drahtschleife vorgegebene Spur abgetastet
und daraus ein Regelsignal für die Lenkung abgeleitet wird.
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Die zweite Hauptgruppe umfasst solche Systeme, bei denen in der Fahrbahn
keine aktiv arbeitenden Elemente instFlliert sind, sondern bei denen alle aktiven
Elemente in das Fahrzeug verlegt sind. Es ist bereits vorgeschlagen worden, Fahrbahnbegrezungspfosten
oder Leitplanken vermittels Radareinrichtungen vom Fahrzeug aus abzutasten Weiterhin
wurde bereits vorgeschlagen, in der Fahrbahn verlegte Magnetnägel zur Spurführung
heranzuziehen Von einer amerikanischen Ingeniergruppe wurde für das US-Verkehrsministerium
vorgeschlagen, in der Fahrbahn geschlossene Leiterschleifen zu verlegen, in die
über cinen fahrzeugseitigen Sender Wechselstrom eingekoppelt wird.
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Die von diesen Wechselströmen hervorgerufenen Magnetfelder werden
von einer am Fahrzeug angebrachten Spule und
einer dazugehörenden
Empfangseinrichtung aufgenommen.
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Fahrt das Fahrzeug genau über der Schleife, wird in der Empfangsspule
keine Spannung induziert. Voraussetzung für ein solches System ist, daß die Sendespule
und die Empfangsspule am Fahrzeug vollständig voneinander entkoppelt sind, da ja
eine Regel spannung erzeugt und damit die Lenkung beeinflußt wird, sobald die Empfangsspule
eine Spannung registriert.
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Ausgehend vom letztgenannten Spurführungssystem hat es sich die Erfindung
zur Aufgabe gemacht, die Nachteile, die diesem bystem anhaften, zu beseitigen. Diese
Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die fahrzeugseitigen Empfangsanlagen
zumindest ein Sensorpaar enthält, das symmetrisch zu derjenigen Linie, in Fahrzeug
längsrichtung angeordnet ist, die beim Fahren senkrecht über den in die Fahrbahn
gelegten ferromagnetischen Eöri per, dem Leiter oder der Symmetrielinie der Leiterkreise
zu liegen kommen soll und die zugleich Symmetrielinie für den Erreger der fahrzeugseitigen
Sendeeinrichtung ist, daß die Ausgangsgrößen eines Sensorpaares einer Auswerteeinrichtung
zugeführt wer =,die aus ihnen die Differenz bildet, und die aus deren Abweichung
von Null nach Vorzeichen und Größe eine Regel größe zur Beeinflussung der Fahrzeuglenkung
ableitet.
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Gemäß der Erfindung ist also nicht ein einziger Sensor vorgesehen,
der das von der in der Fahrbahn verlegten Leiter schleife stammende Magnetfeld abtastet,
sondern es sind zwei Sensoren am Fahrzeug angebracht. Durch die Differenzbildung
der Ausgangsgrößen dieser Sensoren gelingt es, eine vollständige Entkopplung der
Sensoren von dem scaderseitigen Erreger zu simulieren. Wird nämlich auch bei Nichtvorhandensein
einer Leiterschleife in der Fahrbahn in den Sensoren, z.B. infolge ungünstiger Feldbeeinflussung
durch das Fahrzeug vom eigenen Sender eine Spannung erzeugt, so wird die Regelgröße
bei symmetrischem Aufbau am Fahrzeug durch die Differenzbildung zu Null, Für die
Praxis dürfte es daher am günstigsten sein, wenn die Sensoren symmetrisch zur senkrechten
Syametrielängsebene des Fahrzeugs angeordnet sind. Es kann jedoch auch günstig sein,
die Sensorpaare symmetrisch zu einer anderen, dieser Symmetrieebene parallel laufenden
Linie anzuordnen, wobei dann natürlich auch die Leiterschleife in der Fahrbahn um
diesen Versatz verschoben sein zur Es ergibt sich dadurch die Möglichkeit, die LeQterschleifen
zweier entgegengesetzter Fahrspuren mehr zu den Rändern der Fahrbahn hin zu verlegen.
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Die Anwendung der Differenzmessung mittels zweier Sensoren zur Spurführung
ist bereits im Zusammenhang mit aktiven
Spurführungssystemen vorgeschlagen
worden . Sie war dort willkürlich als eines unter vielen Empfangssystemen ausgewählt.
Auf ein passives Spurführungssystem der zuvor beschriebenen Art angewendet, bringt
das Differenzmeßverfahren jedoch erst die praktisch Betriebs voraussetzung, ist
also nicht beliebig, sondern ganz bewußt gewählt.
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Gemeint ist hiermit die Tatsache, daß mit einem System, bei dem nur
ein einziger Sensor vorgesehen ist, eine völlige Entkopplung vom eigenen Sender
praktisch kaum durchführbar ist, bei der Verwendung von zwei Sensoren, deren Ausgangsgrößen
voneinander abgezogen werden, jedoch trotz vom eigenen Sender eingekoppelter Spannungen
eine Regelgröße gewonnen wird, die vom eigenen Sender entkoppelt ist.
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Die Funktion des erfindungsgemäßen Spurführungssystems sei anhand
der Zeichnungen naher erläutert.
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Die Fig. 1 zeigt eine Fahrbahn 1, in der geschlossene Leiterkreise
verlegt sind. Diese Leiterkreise bestehen aus Leiter senkrecht unter der Spur 7
verlegten# 2a zund 2b, die durch Verbindungsleiter 2c leitend miteinander verbunden
sind.
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Auf diese Weise ergeben sich aneninanderschließende Leiterkreise,
bestehend aus den Leiterstücken 2a, 2c, 2b, 2c6 Ein Kraftfahrzeug 8, das über der
von der Linie 7 bestimmten
Spur geführt werden soll, trägt in Fahrzeugmitte
eine Induktionsspule 3,- die mit einem im Fahrzeug installierten Sender verbunden
ist. Die Windungsebene der Sendespule 3 liegt parallel zur Ebene der Leiterschleife
2 in der Fahrbahnoberfläche 1, wird also durch die Koordinaten x und y bestimmt.
Von dem Sender im Fahrzeug wird über die Induktionsspule 3 ein Strom in der in der
Fahrbahn installierten Leiterschleife 2 induziert, der durch die Pfeile 5 versinnbildlicht
ist. Dieser Strom im Leiter 2 erzeugt ein Magnetfeld, dessen Feldlinien mit 6 bezeichnet
sind. Dieses Magnetfeld hat eine horizontale und eine vertikale Komponente. Die
horizontale Komponente senkrecht über der ßymmetrielinie 7 ist Null, während an
dieser Stelle die vertikale Komponente am größten ist. Dagegen ist die horizontale
Komponente der Feldlinien senkrecht über den Leitern 2b und 2c am größten. DLe horizontale
Komponente der Feldlinie wird von Sensoren 4a und 4b am Fahrzeug aufgenommen, die
symmetrisch zur Sendespule 3 angeordnet sind, und die so ausgerichtet sind, daß
sie die horizontale Komponente des Magnetfeldes der Leiterschleife 2 empfangen Ihre
Windungsebene wird demnach durch die Koordinaten y und z bestimmt.
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Die Fig, 2a zeigt den Amplitudenverlauf der vertikalen Komponnente
des Magnetfeldes der Leiterschleife 2 gemäß der Fig. 1. Die Fig. 2b zeigt den Verlauf
derhorizontalen
Komponente des Magnetfeldes dieser Leiterschleife.
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Durch die unterschiedliche Polarität links und rechts der Symmetrielinie
7 ist angedeutet, daß die horizontale Eomponente über dem Leiter 20 eine andere
Richtung hat, als über dem Leiter 2a. Für die Funktion der Erfindung ist das. jedoch
unter Umständen ohne Bedeutung, da das Auswertegerät, das die Ausgangsgrößen der
Sensoren verarbeitet und aus diesen eine Regelgröße für die Lenkung ableitet, allein
mit den Beträgen dieser horizontalen Eomponenten arbeiten kann und deren Vorzeichen
nicht benötigt.
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In der Figur 2c ist der Verlauf der Differenz der Spannungsbeträge
dargestellt, die aus den Sensoren 4a und 4b gewonnen werden, wenn diese.den gleichen
Abstand voneinander haben, wie die Leiter 2a und 2b. Es ist ersichtlich, daß, wenn
das Fahrzeug sich symmetrisch über der Symmetrielinie befindet, diese Differenz
gleich Null ist, da in den beiden Sensoren 4a und 4b Spannungen gleicher absoluter
Größe induziert werden. Bewegt sich das Fahrzeug aus dieser Mittellage heraus, dann
wird in dem einen Sensor eine größere Spannung induziert als im anderen Sensor,
womit diese Differenz spannung von Null verschieden wird. Diese tatsache wird für
die Lenkungsregelung ausgenutzt. Weicht die Fahrzeuglage nach der anderen Richtung
von der Zittellage ab, so kehrt sich das Vorzeichen der Spannungsdiffe
renz
um. Der Bereich, in dem eine Nachregelung möglich ist, ist -in der Figur 2c durch
R angedeutet Die Figur 2b zeigt, daP eine Spurführung auch mit nur einer einzigen
Empfangsspule möglich wäre, da die horizontale Feldkomponente über der Symmetrielinie
7 gleich Null ist, Notwendig ist es aber dann, daß die Empfangsspule von der Sendespule
vollständig entkoppelt ist. Dieses System wurde, wie eingangs bereits erwähnt, schon
früher vorgeschlagen und weist die bereits aufgeführten Schwierig~ keiten der Entkopplung
dieser beiden Spulen auf, Die Leiterschleife in der Fahrbahn ließe sich auch vertikal
polarisiert anordnen. Es müßte dann die Sendespule ebenfalls vertikal polarisiert
sein und die Empfangs spulen horizontal polarisiert werden.
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Ein solches Spurführungssystem funktioniert auch, wenn anstatt einer
Leiterschleife in der Straße irgendwelche passiveaElemente verlegt sind, die das
vom Sender iuduzierte Magnetfeld in seiner Form verändern und damit verursachen,
daß die in den Sensoren induzierten Spannungen bei Abweichung des Fahrzeugs aus
der Symmetrielage über dem Leiterelement in der Straße ungleich groß werden. Solche
beeinflussenden Elemente in der Straße können Bo
ferromagnetische
Körper sein, z.B. Magnetnägel, die in die Straße eingelassen sind, oder ein einzelner,
in der Fahrbahn längs verlegter Leiter. Befindet sich das Fahrzeug nicht genau symmetrisch
über diesen Leitelementen, dann wird die Differenz der Ausgangsgrößen der Sensoren
von Null verschieden und somit wiederum die Erzeugung eines Regelsignals für die
Lenkung möglich.
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Mit einem Sensorpaar allein, das z,B in der vorderen Hälfte des Fahrzeugs
angebracht ist, läßt sich jedoch eine Winkelbweichung der Fahrzeuglängsachse nicht
feststellen, wenn der Schwerpunkt dieses Sensorpaares noch über der Spurmitte liegt,
auf der des Fahrzeug geführt werden soll. Wenn auch für diesen Fall, der bei Schlcuderbewegungen
des Fahrzeuges auftreten kann, Korrekturbewegungen an der Lenkung vorgenommen werden
sollen, ist es notwendig, ein zweites Sensorpaar (am anderen Fahr zeugende) vorzusehen
und dessen Ausgangsgrößen ebenfalls für die Steuerung heranzuziehen. Derartiges
ist bereits früher vorgeschlagen worden.
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sls äquivalente Lösung anzusehen und damit unter den Schutzumfang
der vorliegenden Anmeldung fallend ist eine solche, bei der statt einer Sendespule
und eines Sensor paares nur ein E>'ensor, dafür aber zwei Sende spulen synime
trisch
zum Sensor angeordnet sind. Befindet sich der Sensor senkrecht über der Schleife
in der Fahrbahn, dann heben sich bei entsprechender Folung der Magnetfelder der
Sendespulen die Induktionswirkungen in der Schleife auf und die Sensorspule empfängt
nichts. Verschiebt sich das Fahrzeug seitlich gegenüber der Schleife, dann wird
in dieser eine von Vorzeichen und Größe der Abweichung abhängige Spannung induziert.
Das durch deren Strom her" vorgerufene Magnetfeld nimmt der Sensor auf und amine
Nach regelung der Fahrzeuglenkung wird möglich. Diese Lösung ist in der Fig. 3 im
Querschnitt kurz skizziert, in der wiederum 8 das Fahrzeug bedeutet, mit 9a und
9b die Sender spulen bezeichnet sind. Die Leiter 2a und 2b gehören zur Schleife
in der Fahrbahn 1 und mit 10 ist der Sensor bezeichnet.
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Während horizontal angeordnete Schleifen auch auf der Fahrbahn verlegt
werden können und daher besonders für den Einsatz bei sich ändernden Außenbedingungen,
z.B. bei Baustellen geeignet sind, können vertikale SchleIfen nur in der Fahrbahn
verlegt werden. jedoch ist ihre Verlegung cinfach, da nur ein Längsschnitt benötigt
wird. Versuche haben ergeben, daß die vertikale Schleife bis zu 30 cm tief in der
Straße verlegt werden kann, ohne daß ihre Funktion beeinträchtigt wird. Die Schleifenlänge
kann
zwischen5 - 50 m variiert werden und so zur Informationsgabe
benutzt werden (Ankündigung einer kurve, Geschwindigkeitsbegrenzung). Die Schleife
kann wie eine Eisenbahnweiche funktionieren, kann dabei aber elektrisch geschaltet
werden. Bei Verwendung entsprechender Frequenz kann an Stelle einer Schleife ein
flaches Bandmaterial, senkrecht verlegt, verwendet werden (Stromverdrängung).
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Eine passive Schleife kann sehr einfach zur Abstandsregelung von Fahrzeugen
verwendet werden. Durch die Kopplung der Schleifenströme von Schleife zu Schleife
kann eine Art "Blockstrecke" geschaffen werden, d.h. zwischen zwei aufcinanderfolgenden
Fahrzeugen muß immer eine Schleifenlänge als abstand gehalten werden.
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Die Sende spulen müssen am Eraftfahrzeug angebracht werden.
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Naheliegend ist die vertikale Montage in der vertikalen Symmetrieebene,
jedoch ist dies für eine praktische Ausführung ungüngstig. Die Aufteilung in zwei
horizontale Sendeschleifen die z.B. unter dem Fahrzeug angebracht werden ist eine
praktische Lösung. Hierbei ergibt sich gleichzeitig eine gute Entkopplung zu dem
Sensor oder Sensoren paar.