DE2423689C3 - Automatische Lenkvorrichtung für Kraftfahrzeuge - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur automatischen Lenkung eines Kraftfahrzeugs entlang einer in der Fahrbahn verlegten Leitlinie mit einem am Fahrzeug angebrachten i'm eine zur Längsmittelebene des Fahrzeugs parallele Achse schwenkbaren optischen Abtastgerät.

Eine solche Vorrichtung ist in der deutschen Patentschrift 10 09 503 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 Leitmittels ermöglicht und eine ständige Einstellung darauf bewirkt Die Lenkung des Fahrzeugs soll dann erst mittelbar durch die Abweichung der Einstellautomatik von einer Nullstellung erfolgen.

Bei einer solchen automatischen Fahrzeugführung besteht die Schwierigkeit 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

ίο beobachtet wird. 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 Fahrkomfort beeinträchtigen, bei glatter Straße unter Umständen sogar ein Schleudern des Fahrzeugs bewirken.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht nun darin, solche ruckartigen Lenkausschläge und damit hohen Querbeschleunigungen zu vermeiden und ein Komfortables und sicheres Fahren auch bei hohen Geschwindigkeiten mit automatischer Lenkung zu gewährleisten. Bei der Lösung dieser Aufgabe wird von der Überlegung ausgegangen, daß ein möglichst frühzeitiges Einleiten einer Lenkkorrektur 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.

Die gestellte Aufgabe wird gemäß dem kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs gelöst.

Durch diese 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.

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

5!) Genauigkeit der Abtastung der Leitlinie in erheblicher Entfernung vor dem Fahrzeug erzielt wird, was bei einem üblichen Lichtstrahl nicht möglich wäre.

Nach einem weiteren Merkmal der erfindungsgemäßen Vorrichtung soll der Abtaststrahl vom Sender unter Zwischenschaltung eines schwenkbaren Spiegels zur Leitlinie und von dort zurück über den Spiegel 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 geringstem zeitlichen Verzug und geringstem Energieaufwand möglich ist, da die Ver-

zögerungs- 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 Rtflektionsgesetzes nur einen Schwenkwinkel ausführen braucht, der halb so groß ist, wie der Abtastbereich, den der Abtaststrahl überstreicht.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung soll der Spiegel oszillierende Schwenkbewegungen um eine Null-Lage ausführen, die durch Obereinstimmung der Fahrzeuglängsachse und des Abtaststrahls 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. 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 jo und korrekter Einhaltung der Sollspur fällt das Reflexionssignal zeitlich mit der Nullstellung des Spiegels zusammen, d. li. die Zeitdauer von einem Reflexionssignal bis zum nächsten beträgt genau die halbe Schwingungsdauer des Spiegels und es ist kein η Korrektureingriff 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 Reflexionsimpulsen verstreicht eine größere Zeit als die halbe Schwingungsdauer des Spiegels und es erfolgt eine Korrektur, die desto stärker ist, je größer die Abweichung des zeitlichen Zwischenraums zwischen zwei aufeinander folgenden Impulsen von der halben Schwingungsdauer des Spiegels ist. Ein wesentlicher Vorteil dieser Abtasteinrichtung liegt darin, daß bei geringerem baulichen Aufwand eine sehr genaue Bestimmung der Abweichung von der Leitlinie erfolgen kann.

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 variieit werden kann.

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 Strahles empfangen ohne daß durch die am Spiegel stattfindende Streuung ein merklicher Anteil verloren

Im Rahmen der Erfindung soll nach einer anderen Ausführungsform der Empfänger ringförmig um den Sender angeordnet sein, wodurch ebenfalls erreicht wird, daß ein Maximum des von der Leitlinie unter den Spiegel reflektierten Lichtes aufgefangen wird und somit ein sicheres hochempfindliches Ansprechen des Empfängers gewährleistet ist.

Schließlich soll nach einer weiteren Ausgestaltung der 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.

Schließlich soil bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung von dem Lenkgerät zusätzlich zu den durch Abtastung gewonnenen Signalen die Fahrgeschwindigkeit, die Aufbauneigung und die Fahrbahnbeschaffenheit als Einflußgrößen berücksichtigt werden. 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.

Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung wird anhand der 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

F i g. 3 den Verlauf der Eingangsimpulse am Empfänger des Abtastgerätes als Spannungsstöße in Abhängigkeit der Zeit.

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 Reflexionsslrahl 4a zum Spiegel 5 zurücksendet, von wo er in den Empfänger des Abtastgerätes 3 reflektiert wird.

Bei der in F i g. 2 gezeigten Prinzipschaltung des Kommandoverlaufs sind die am Lenkvorgang beteiligten Steuergrößen durch Wirkverbindung2n mit Pfeilen angedeutet. Außer dem in das Abtastgerät 3 zurücklaufenden Reflexionsstrahl Aa wird von einem Bewegungsorgan 15 für den Spiegel 5 die Schwingungsdauer Tin das Abtastgerät 3, genauer in den Empfangsteil des Abtastgerätes 3 geführt. Dort findet der Vergleich zwischen dieser Schwingungsdauer Tdes 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 wenere für den Lenkvorgang wesentliche Einflußgrößen wie z. R. die Fahrgeschwindigkeit, Fahrbahnbeschaffenheit oder Aufbauneigung des Fahrzeugs einge-SDeichert werden. Das Schalteerät 13 wirkt schließlich

auf einen Stellmotor 14, der seinerseits die Lenkung 16 entsprechend der ihm vom Schaltgerät aufgegebenen Schaltimpulse steuert.

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 ιτη Empfänger des Abtastgerätes 3 eingehenden Lichtintensität darstellt. In dem Koordinatensystem sind zwei Funktionen A und B aufgetragen. Die untere Funktion A gibt den Impulseingang im Abiastgerät 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 Endausschiägen des Spiegels 5, so daß die Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Impulsen jeweils

genau -3- beträgt, das ist die halbe Schwingungsdauer des Spiegels.

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 Endausschlägen des Spiegels 5, d. h. also nicht mehr in der Nullstellung des Spiegels reflektiert wird, sondern erst im Bereich zwischen der Nullstellung und einem Endausschlag des Spiegels, ist die Zeitdauer Δ t zwischen ίο zwei aufeinanderfolgenden im Abtastgerät empfangenen Lichtimpulsen unterschiedlich und zusätzlich unterschiedlich von der halben Schwingungsdauer

■ydes Spiegels. Die Zeitdauer At wird im Abtastgerät 3 ^|r' mit der halben Schwingungsdauer-Jverglichen, wo sich

für die gezeichnete Funktion B ein Unterschied ergibt, der qualitativ und quantitativ im Schaltgerät 13 zusammen mit den weiteren Einflußgrößen 23 zu einem Schaltimpuls für den Stellmotor 14 verarbeitet wird, der eine entsprechende Lenkkorreklur veranlaßt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur automatischen Lenkung eines Kraftfahrzeuges entlang einer in der Fahrbahn verlegten Leitlinie mit einem am Fahrzeug angebrachten, um eine zur Längsmittelebene des Fahrzeugs parallele Achse schwenkbaren optischen Abtastgerät und mit einem die Signale des Abtastgerätes in Lenkbewegungen umsetzenden Lenkgerät, dadurch gekennzeichnet, daß das Abtastgerät (3), bestehend aus Sender und Empfänger, in erhöhter Position am Fahrzeug (1) angeordnet ist, daß das Abtastgerät einen Abtaststrahl auf einen vordem Fahrzeug liegenden Bereich der Leitlinie (7) aussendet, und daß die Leitlinie (7) als reflektierendes Band ausgebildet ist, das den Abtaststrahl zum Abtastgerät reflektier*.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abtaststrahl (4) ein Laserstrahl ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abtaststrahl (4) vom Sender unter Zwischenschaltung eines schwenkbaren Spiegels (5) zur Leitlinie (7) und von dort zurück über den Spiegel (5) zum Empfänger geführt wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel oszillierende Schwenkbewegungen um eine Null-Lage ausführt, die durch Übereinstimmung der Fahrzeuglängsachse und des Abtaststrahls gekennzeichnet ist und die Abweichung der Zeitdauer zwischen zwei aufeinanderfolgenden Empfangsimpulsen von der halben Schwingungsdauer des Spiegeis als Steuergröße für eine Lenkkorrektur dient.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger an dem Spiegel befestigt ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger ringförmig um den Sender angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwenkachse des Spiegels etwa horizontal in Fahrzeuglängsrichtung verläuft.

8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß von dem Lenkgerät zusätzlich zu den durch Abtastung gewonnenen Signalen die Fahrgeschwindigkeit, die Aufbauneigung und die Fahrbahnbeschaffenheit als Einflußgrößen berücksichtigt werden.