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Automatische Lenkung eines Kraftfahrzeugs Die Erfindung bezieht sich
auf eine Vorrichtung zur automatischen Lenkung eines Kraftfahrzeugs entlang einer
in der Fahrbahn verlegten Leitlinie mittels eines im Fahrzeug quer zur Fahrtrichtung
schwenkbar angeordneten optischen Abtastgerätes.
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Eine solche Vorrichtung ist in der deutschen Patentschrift 1 oo9 503
offenbart, wo -vorgeschlagen wird, fotoelektrische Einrichtungen beweglich und quer
zur Fahrtrichtung schwenkbar am Fahrzeug anzuordnen und sie mit einer automatischen
Einstellvorrichtung zu versehen, die ein selbsttätiges Aufsuchen des Beitmittels
ermöglicht und eine ständige Einstellung darauf bewirkt. Die Lenkung des Fahrzeugs
soll dann erst mittelbar durch die Abweichung der Einstellautomatik von einer Nullstellung
erfolgen.
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Bei einer solchen automatischen Fahrzeugführung besteht die Schwierigksit
darin, daß der Spurverlauf erst dann erkannt wird, wenn das Fahrzeug die Leitlinie
bereits überfährt. Das entspricht einem
manuellen Lenkvorgang, bei
dem nur durch eine Öffnung im Boden die unter dem Fahrzeug vorbeilaufende Leitlinie
beobachtet wird.
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Dabei besteht das Hauptproblem darin, daß der Verlauf der kommenden
Spur vor allem bei höheren Fahrgeschwindigkeiten nicht rechtzeitig erkannt wird.
Aufgrund dieser Tatsache muß dann eine Lenkkorrektur sehr schnell erfolgen, damit
das späte Erkennen des Spurverlaufs entsprechend kompensiert wird. Die Folge davon
sind ruckartige Lenkausschläge, die hohe Querbeschleunigungen erzeugen und den Bahrkomfort
beeinträchtigen, bei glatter Straße unter Umständen sogar ein Schleudern des Fahrzeugs
bewirken.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht nun darin, solche
ruckartigen Lenkausschläge und damit hohen Querbeschleunigungen zu -v-ermeiden und
ein komfortables d sicheres Fahren auch bei hohen Geschwindigkeiten mit automatischer
Lenkung zu gewahrleisten. Bei der Lösung dieser Aufgabe wird von der Überlegung
ausgegangen, daß ein möglichst frühzeitiges Einleiten einer Lenldrorretur erforderlich
ist, was wiederum zum einen ein frühzeitiges Erkennen des Fahrbahnverlaufs, zum
andern eine geringe Verzögerungszeit im Regelmechanismus bis zum Ansprechen der
Stellorgane der Lenkung erfordert.
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Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, daß das
Abtastgerät mit Sender und Empfänger in erhöhter Position am Fahrzeug (vorzugsweise
im Bereich des Daches) mit Blickrichtung
nach vorne unten angeordnet
und die Leitlinie als reflektierendes Band nach Art eines Rückstrahlers ausgebildet
ist.
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Durch diese erfindungsgemäße Vorrichtung kann der Spurverlauf eine
erhebliche Strecke vor dem Fahrzeug abgetastet werden, wie es auch bei einer manuellen
Lenkung des Fahrzeugs durch den Fahrer erfolgt. Durch die vorausschauende Abtasteinrichtung
kann der Spurverlauf nicht nur frühzeitig erkannt werden und somit ein Stellorgan
entsprechend rechtzeitig und damit langsam betätigt werden, sondern es ist auch
im Vergleich zu vorbekannten Lösungen möglich, die Tendenz der Abweichung von der
Sollspur aufzuzeichnen und damit eine größere Toleranzabweichung von der Sollspur
zuzulassen, was wiederum zur Folge hat, daß insgesamt eine geringere Anzahl von
Lenkkorrekturen notwendig wird.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
soll der Abtaststrahl ein Laserstrahl sein. Die Anwendung eines Laserstrahls zur
Abtastung der Leitlinie erweist sich deshalb als besonders vorteilhafte Ausgestaltung,
weil durch die hohe Intensität und-Parallelität des Lichtes hohe Genauigkeit der
Abtastung der Leitlinie in erheblicher Entfernung vor dem Fahrzeug erzielt wird,
was bei einem üblichen Lichtstrahl nicht möglich wäre.
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Nach einem weiteren Merkmal der erfindungsgemäßen Vorrichtung soll
der Abtaststrahl vom Sender unter Zwischenschaltung eines
schwenkbaren
Spiegels zur Leitlinie und von dort über den Spiegel zurück zum Empfänger geführt
werden. Die Zwischenschaltung eines Spiegels in den Strahlengang vom Sender bis
zur Leitlinie hat vor allem den Vorteil, daß aufgrund der äußerst geringen Masse
die ein solcher Spiegel nur aufweisen muß, die Nachführbarkeit des Abtaststrahles
zur Leitlinie mit geringßstem zeitlichen Verzug und geringstem Energieaufwand möglich
ist, da die Verzögerungs-und Beschleunigungskräfte bei einer Bewegung des Spiegels
und damit einer Verschwenkung des Abtaststrahles sehr viel geringer sind als bei
bekannten Anordnungen, bei denen der ganze Sender der Leitlinie nachgeführt werden
muß. Ein weiterer Vorteil der Zwischenschaltung eines schwenkbaren Spiegels liegt
darin, daß der Spiegel aufgrund des Reflektionsgesetzes nur einen Schwenkwinkel
ausführen braucht, der halb so groß ist, wie der Abtastbereich, den der Abtaststrahl
überstreicht.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
soll der Spiegel oszillierende Bewegungen um eine Null-Lage ausführen, die durch
Übereinstimmung der Fahrzeuglängsachse und des AMtaststrahls gekennzeichnet ist,
wobei die Abweichung der Zeitdauer zwischen zwei aufeinander folgenden Empfangsimpulsen
von der halben Schwingungsdauer des Spiegels als Steuergröße für eine Lenkkorrektur
dient. Es wird also bei dieser Abtastung nicht die effektive Winkelstellung des
den Abtaststrahl auf die Leitlinie richtenden Spiegels als Steuergröße für die Lenkkorrektur
herangezogen, sondern es wird die Zeitdauer gemessen, die jeweils zwischen
zwei
aufeinanderfolgenden vom Empfänger registrierten Impulsen verstreicht und diese
Zeitdauer mit der halben Schwingungsdauer des Spiegels verglichen, wobei Abweichungen
eine Korrektur bewirken.
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Das von der Leitlinie reflektierte Signal erscheint intermittierend
und zwar je einmal beim Schwenken von links nach rechts bzw. von rechts nach links.
Bei Geradeausfahrt und korrekter Einhaltung der Sollspur fällt das Reflexionssignal
zeitlich mit der Nullstellung des Spiegels zusammen, d.h. die Zeitdauer von einem
Reflexionssignal bis zum nächsten beträgt genau die halbe Schwingungsdauer des Spiegels
und es ist kein Korrektur eingriff in die Lenkung erforderlich. Bei einer Abweichung
von der Leitlinie stimmt der Zeitpunkt des Reflexionssignals mit dem des Mittendurchgangs
nicht mehr überein, d.h. zwischen zwei aufeinanderfolgenden Refleydonsimpulsen verstreicht
eine größere Zeit als die halbe Schwingungsdauer des Spiegels und es erfolgt eine
Korrektur, die desto stärker ist, äe größer die Abweichung des zeitlichen Zwischenraums
zwischen zwei auf einander folgenden Impulsen von der halben Schwingungsdauer des
Spiegels ist. Ein wesentlicher Vorteil dieser vorgeschlagenen Abtasteinrichtung
liegt darin, daß bei geringerem -baulichen Aufwand eine sehr genaue Bestimmung der
Abweichung von der Leitlinie erfolgen kann.
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Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß der volle Betrag der Abweichung
in-kürzester Zeit, nämlich nach etwa der halben Schwingungsdauer des Spiegels registriert
wird. Schließlich liegt ein weiterer Vorteil dieses Merkmals darin, daß durch Veränderung
der Spiegelfrequenz die Empfindlichkeit des Gerätes variiert werden kann.
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Schließlich kann nach einem weiteren Merkmal der Erfindung der Empfänger
an dem Spiegel befestigt sein. Diese Ausführungsform hat zwar den Nachteil, daß
damit die Masse des schwenkbaren Spiegels geringfügig vergrößert wird, dafür aber
die Registrierung des von der Leitlinie reflektierten Laserstrahles sicherer und
genauer erfolgen kann. Durch die in unmittelbarer Nähe der Spiegelfläche angeordneten
Empfänger wird die ganze lichtmenge des von der Leitlinie reflektierten Strahl es
empfangen ohne daß durch die am Spiegel stattfindende Streuung ein merklicher Anteil
verloren geht.
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Brfindungsgemäß soll nach einer anderer Ausführungsform der Empfanger
ringförmig um den Sender angeordnet sein, wodurch ebenfalls erreicht wird, datJ
ein I-laximum des von der Leitlinie unter den Spiegel reflektierten Lichtes aufgefangen
wird und somit ein sicheres hochempfindliches Ansprechen des Empfängers gewährleistet
ist.
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Schließlich soll nach einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung die Schwenkachse des Spiegels etwa horizontal in Fahrzeuglängsrichtung
verlaufen. Bei dieser Anordnung des Spiegels kann das Abtastgerät mit Sender und
Empfänger sehr leicht innerhalb der Außenkontur des Fahrzeugs versenkt am Dach angeordnet
werden, wo es vor Witterungseinflüssen gut geschützt werden kann. Außerdem bringt
eine solche Anordnung der Spiegelschwenkachse den Vorteil, daß die Spiegelfläche
nach unten weist und
somit besonders einfach vor einfallendem Fremdlicht
abgeschirmt und zusätzlich der Spiegel vor zu großer Verschmutzung geschützt werden
kann.
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Schließlich soll nach einem weiteren Merkmal der Erfindung für die
Lenkkorrektur zusätzlich zu der aus der Spurfolge gewonnenen Steuergröße die Fahrgeschwindigkeit,
die Aufbauneigung und die Fahrbahnbeschaffenheit als BinflußgröBenherangezogen werden.
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Durch die Heranziehung dieser, sich auf die Lenkfähigkeit des Fahrzeugs
stark auswirkenden Parameter kann ein automatisch gelenktes Fahrzeug unter ähnlich
vielfältigen Betriebsbedingungen gefahren werden, wie sie bisher für manuell gelenkte
Fahrzeuge im Straßenverkehr vorkommen.
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Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung wird anhand
der beigefügten Zeichnungen erläutert: In den Zeichnungen zeigt Fig. 1 einen Lastkraftwagen
auf dessen Dach eine erfindungsgemäße Anordnung angeordnet ist, Fig. 2 eine Prinzipskizze
des Kommandoverlaufs einer automatischen Steuerung und Fig. 3 den Verlauf der Eingangsimpulse
am Empfänger des Abtastgerätes als Spannungsstöße in Abhängigkeit der Zeit.
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Auf dem Dach 2 eines Lastkraftwagens 1 ist innerhalb der Dachkontur
versenkt ein aus Sender und Empfänger bestehendes Abtastgerät 3 angeordnet, das
einen Laserstrahl 4 über einen Spiegel 5 nach vorne und nach unten auf die Fahrbahn
6 richtet. In der Fahrbahn 6 ist eine Leitlinie 7 angeordnet, die als reflektierendes
Band nach Art eines Rückstrahlers ausgebildet ist und den ankommenden Laserstrahl
4 als Reflexionsstrahl 4a zum Spiegel 5 zurücksendet, von wo er in den Empfänger
des Abtastgerätes 3 reflektiert wird.
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Bei der in Fig. 2 gezeigten Prinzipschaltung des Kommandoverlaufs
sind die am Lenkvorgang beteiligten Steuergrößen durch Wirkverbindungen mit Pfeilen
angedeutet. Außer dem in das Abtastgerät 3 zurücklaufenden Reflexionsstrahl 4a wird
von einem Bewegungsorgan 15 für den Spiegel 5 die Schwingungsdauer T in das Abtastgerät
3, genauer in den Empfangsteil des Abtastgerätes 3 geführt. Dort findet der Vergleich
zwischen dieser Schwingungsdauer? des Spiegels 5 und der Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden
Reflexionsstrahlen 4a statt. Das Vergleichsergebnis wird von dem Abtastgerät 3 in
ein Schaltgerät 13 geführt, in das auch Kommandoleitungen 23 münden, durch die weitere
für den Lenk-Vorgang wesentliche Einflußgrößen wie z.B. die Fahrgeschwindigkeit,
Fahrbahnbeschaffenheit oder Aufbauneigung des Fahrzeugs eingespeichert werden. Das
Schaltgerät 13 wirkt schließlich auf einen Stellmotor 14, der seinerseits die Lenkung
16 entsprechend der ihm vom Schaltgerät aufgegebenen Schaltimpulse steuert.
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Zur weiteren Erläuterung ist in Fig. 3 ein Koordinatensystem aufgezeigt,
bei dem auf der Abszisse die Zeitdauer t aufgetragen ist, während auf der Ordinate
eine Steuerspannung U aufgetragen ist, die eine Funktion der im Empfänger des Abtastgerätes
3 eingehenden Lichtintensi-tät darstellt. In dem Koordinatensystem sind zwei Funktionen
A und B aufgetragen. Die untere Funktion A gibt den Impulseingang im Abtastgerät
3 für den Fall wieder, daß das Fahrzeug sich genau entlang-der in der Fahrbahn 6
verlegten Leitlinie 7 bewegt und keine Lenkkorrektur erforderlich ist. In diesem
Fall erfolgt der vom zurücklaufenden Lichtstrahl 4a erzeugte Impuls jeweils genau
in der Mitte zwischen zwei Endausschlägen des Spiegels 5, sodaß die Zeit zwischen
zwei aufeinanderfolgenden Impulsen å jeweils genau 2 beträgt, das ist die halbe
Schwingungsdauer des Spiegels.
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Die obere Funktion-B in Fig. 3 gibt den Betriebsfall wieder, wo das
Fahrzeug von der Leitlinie 7 abgewichen ist und vom Abtastgerät 3 ein Korrekturimpuls
zum Schaltgerät 13 erfolgt. Dadurch, daß der- rücklaufende. Lichtstrahl 4a nicht
mehr genau in der Mitte zwischen den Endausschlägendes Spiegels 5, d.h. also nicht
mehr in de Nullstellung des Spiegels reflektiert wird, sondern erst im Bereich zwischen
der Null stellung und einem Endausschlag des Spiegels ist die Zeitdauert #t zwischen
zwei aufeinander folgenden im Abtastgérät empfangenen Lichtimpulsen unterschiedlich
und T zusätzlich unterschiedlich von-der halben Schwingungsdauer 2 des Spiegels.
Die Zeitdauer d t wird im Abtastgerät 3 mit der
T halben Schwingungsdauer
2 verglichen, wo sich für die gezeichnete Funktion B ein Unterschied ergibt, der
qualitativ und quantitativ im Schaltgerät 13 zusammen mit den weiteren Einflußgrößen
25 zu einem Schaltimpuls für den Stellmotor 14 verarbeitet wird, der eine entsprechende
Benkkorrektur veranlaßt.