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Anordnung zum Spurführen eines gleisfreien Fahrzeuges
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Stand der Technik Die Erfindung geht aus von einer Anordnung nach
der Gattung des Hauptanspruchs.
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Zur Spurführung von gleisfreien Fahrzeugen ist es bekannt, in der
Fahrbahn liegende Leitkabel zu verwenden, die von einem Wechselstrom durchflossen
werden. Dadurch bildet sich um den Draht ein Magnetfeld aus, das in am Fahrzeug
angebrachten Magnetspulen elektrische Spannungen induziert. Diese Spannungen sind
ein Maß für den jeweiligen Abstand der Spulen, d.h. des Fahrzeuges, vom Leitkabel.
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Sie werden in einem elektrischen Regler verarbeitet und schließlich
als Stellsignal in ein hydraulisches Stellglied gegeben, das einen Vorderradeinschlagwinkel
erzeugt, der gerade so groß ist, daß das Fahrzeug dem Leitkabel folgt.
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Aus der DT-OS 2 328 863 ist eine Anordnung bekannt, bei der zwei senkrecht
bzw. waagerecht in gleicher Höhe h am Fahrzeug angeordnete Spulen verwendet werden,
in die Spannungen induziert werden, die in genormter Schreibweise den Funktionen
Us = cola. sins . sinkt und Uw = cos . sinkt Us genügen, und daß durch die Quotientenbildung
Us aus den beiden Funktionen die lineare Funktion ij = h gebildet wird mit = = arc
tg h und h = konstant, welche ein Maß für die Abweichung a des jeweiligen Fahrweges
des Fahrzeuges von dem durch den Leitdraht vorgegebenen Fahrweg darstellt.
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Nachteil dieser bekannten Vorrichtung ist, daß die Abweichung des
Fahrzeuges vom Fahrweg als analoges Signal vorliegt und somit nicht direkt zur Weiterverarbeitung
in einer digitalen Rechenstufe, beispielsweise einem ,'4ikroprozessor geeignet ist.
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Vorteile der Erfindung Die erfindungsgemäße Anordnung mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, eine die Abweichung des
Fahrzeuges vom Leitdraht charakterisierende Größe in Form eines Zeitintervalls zu
erzeugen, das von einer digitalen Rechenstufe durch Auszählen direkt ausgewertet
werden kann.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte
Weiterbildungen der im Hauptanspruch angegebenen Anordnung möglich.
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Da die Leitkabelfrequenz mit einer Größenordnung von etwa 10 kHz festliegt,
ist zur Erzielung einer hinreichenden Auflösung des Abweichungssignäles eine sehr
hohe Zählrate der Rechenstufe erforderlich. Um jedoch auch Recnenstufen mit niedrigerer
Zählrate verwenden zu können, wird vorgeschlagen, die von den am Fahrzeug befestigten
Spulen kommenden Signale in an sich bekannter Weise auf eine niedrigere Zwischenfrequenz,
vorzugsweise durch Sampling-Untersetzung, umzusetzen.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das
der Abweichung entsprechende Signal in einem nicht zur Rechenstufe gehörigen Zähler
ausgezählt, wobei der Zählvorgang mit dem Beginn des Zeitintervalls beginnt und
der am Ende des Zeitintervalls erreichte Zählerstand in einen Zwischenspeicher übertragbar
ist, von dem aus er jederzeit in die Rechenstufe abrufbar ist. Eine besonders gute
Wirkung wird dabei dadurch erzielt, daß während des Zeitintervalls die Impulse eines
einstellbaren Referenzoszillators gezählt werden, der bezüglich seiner Frequenz
auf die Leitkabelfrequenz phasengeregelt ist.
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Zeichnung Prinzipschaubilder zur Erläuterung der erfindungsgemäßen
Anordnung, Signalverläufe der erfindungsgemäßen Anordnung und Stromlaufpläne von
Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Anordnung sind in der Zeichnung dargestellt
und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 das Prinzipbild
eines vermittels eines Leitdrahtes spurgeführten gleisfreien Fahrzeuges; Fig. 2
den Feldstärke- und Spannungsverlauf bei einem von Wechselstrom durchflossenen Leitdraht;
Fig. 3 Spannungsverläufe und Impulszüge zur Erläuterung des der erfindungsgemäßen
Anordnung zugrundeliegenden Verfahrens, Fig. 4 das Blockschaltbild einer ersten
Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung; Fig.- 5 das Blockschaltbild einer
zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung mit Trägerfrequenzumsetzung;
Fig. 6 das Blockschaltbild einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Anordnung mit einem externen Zähler.
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Beschreibung der Erfindung In Fig. 1 ist mit 10 ein gleisfreies Fahrzeug
bezeichnet, unter dem etwa mittig ein im Fahrweg 11 nahe der Oberfläche verlegter
Leitdraht 12 verläuft. Am Fahrzeug 10 sind eine waagerechte Spule 13 und eine senkrechte
Spule 14 befestigt.
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"Waagerecht" und senkrecht bezeichnet dabei die Richtung der elenachse
bzw. des Spulenkerns. Der Leitdraht 12 wird von einem Wechselstrom durchflossen,
der ein in ungestörtem Zustand kreisförmiges Feld um den Leitdraht 12 ausbildet,
durch das in den Spulen 13 und 14 zur Spurführung des Fahrzuges 10 auswertbare Spannungen
induziert werden.
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Anhand der Fig. 2 soll die Wirkungsweise der Anordnung zum Spurführen
des gleisfreien Fahrzeuges 10 näher erläutert werden. Das sich um den Leitdraht
12 ausbildende elektromagnetische Feld 15 ist mit dünnen gestrichelten Linien angedeutet.
Der Feldverlauf ist für den Fall dargestellt, daß keine ferromagnetischen Teile
und keine stromführenden Teile in der Nähe des Leitdrahtes 12 vorhanden sind, da
nur dann die dargestellte gleichmäßige Form des Feldes erhalten bleibt. Der Ort
der Spulen 13 und 14 liegt im gezeichneten Fall im Punkt 16, - d.h., das Fahrzeug
10 ist von der durch den Leitdraht 12 vorgegebenen Spur abgewichen - und die Abmessungen
der Spulen 13, 14 werden für die vorliegende Betrachtung vernachlässig; d.h. die
Entfernung r zwischen dem Punkt 16 und dem Leitdraht 12 ist wesentlich größer als
die Abmessungen der Spulen, so daß über den gesamten Querschnitt der Spulen ein
homogenes Feld angenommen werden kann. Die Höhe der beiden Spulen über dem Fahrweg
11 ist mit h bezeichnet und beträgt beispielsweise 20 bis 30 cm.
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Ihr Abstand vom Leitdraht 12 in der Ebene des Fahrweges 11 sei mit
a bezeichnet. Der Winkel « ist der Winkel zwischen einer Senkrechten im Punkt 16
und der Verbindungslinie zwischen diesem Punkt 16 und dem Leitdraht 12. Ú = 1 sei
eine normierte Spannung zu der Spannung U, die im Abstand h in einer mittig über
dem Leitdraht 12 angeordneten waagrechten Spule 13 induziert wird. Diese induzierte
Spannung nimmt mit dem Abstand r vom Leitdraht 12 im Verhältnis l:r zu oder ab.
Im Punkt 16 beträgt daher die in einer tangential zu den Feldlinien angeordneten
Spule induzierte Spannung U. r Bei einer Zerlegung dieser Spannung in eine waagerechte
und eine senkrecht Komponente entsprechend der Anordnung der waagerechten Spule
13 und der senkrechten Spule 14 ergibt sich:
Us = U sinα sin#t
Uw = U cosz sinkt r und mit cost = h bzw. 1 - cosα r r h folgt: U Us = - sinα
. cosα . sin#t h Uw = U cos2« . sinwt, h normiert Us = sin« . cosα .
sin#t Uw = cos²α . sinwt.
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Uw ist die in der waagerechten Spule 13 induzierte Spannung, die in
der senkrechten Spule 14 induzierte Spannung wird mit Us bezeichnet.
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Erfindungsgemäß wird nun die Spannung U5 in einer Phasenschieberstufe
elektrisch gedreht, beispielsweise in einer an sich bekannten Integratorschaltung
um 900. Es entstehen dann die Ausdrücke: Uw = cos²α . sin#t Us' = cosα
sinα . cos#t Die Verläufe der Spannungen Uw und Us' sind in Fig. 3a dargestellt.
Legt man diese beiden Spannungen auf den Eingang eines Komparators, entsteht eine
Rechteckspannung mit einem Impuls-Pausenverhältnis 1:1, wie es in Fig. 3b als Impulszug
c dargestellt ist. Die Umschaltpunkte des Komparators gehorchen der Beziehung: Uw
= Us'
cos20e . sinkt = coso( . sino< . cosQt sinkt sind; cosst
cos& # = α Die Phasenverschiebung der Spannung U gegenüber dem Impulsw
zug c beträgt demnach . Erzeugt man nun einen weiteren Impulszug d, wie er in Fig.
3 c dargestellt ist, der das Vorzeichen der Spannung Uw wiedergibt, so haben auch
diese beiden Impulszüge gegeneinander eine Phasenverschiebung von , entsprechend
dem Zeitintervall a t zwischen den Anstiegsflanken der Impulszüge c und d.
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Die brzeugung der in Fig. 3 dargestellten Signale ist mit einer erfindungsgemäßen
Anordnung nach Fig. 4 möglich. Die waagerechte Spule 13 ist über ein Verstärker
20 mit einem eingang eines ersten Komparators 21, dessen anderer Eingang auf Masse
liegt und mit einem Eingang eines zweiten Komparators 22 verbunden. Die senkrechte
Spule 14 ist über einen Verstärker 23 und eine Phasenschieberstufe 24 an den anderen
Eingang des zweiten Komparators 22 angeschlossen. Am Ausgang des ersten Komparators
21 entsteht dann ein Impuls zug d und am Ausgang des zweiten Komparators 22 ein
Impulszug c. Die Ausgänge der Komparatoren 21, 22 sind mit einer Rechenstufe 25,
vorzugsweise einem Mikroprozessor, verbunden. Die Rechenstufe 25 bestimmt aus dem
Zeitintervall zwischen den Anstiegs flanken der Impulszüge c und d durch Auszählen
eine der Abweichung des Fahrzeuges 10 von der durch den Leituraht 12 vorgegebenen
Fahrbahn entsprechende Größe. In der Rechenstufe 25 wird alsdann eine Stellgröße
erzeugt, die über einen Ausgang 250 einem Lenkorgan des Fahrzeuges 10 zugeführt
wird.
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Bei einer Leitkabelfrequenz von beispielsweise 10 kHz und einem Meßbereich
fürOt von + 800 bis - 80 ergibt sich bei
einem 8-bit-Prozessor
eine Auflösung von ca 1,7ei0 7 s/bit.
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Dies entspricht einer Zählrate von etwa 5,8 MHz. Soll als Rechenstufe
25 ein Mikroprozessor mit niedrigerer Zählrate verwendet werden, muß daher die Leitkabelfrequenz
heruntergesetzt werden.
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In Fig. 5 ist das Blockschaltbild einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Anordnung mit Trägerfrequenzumsetzung dargestellt. Die Ausgänge der Verstärker 20,
23 sind dabei auf Umsetzer 26, 27 geführt, die von einem Zwischenfrequenz-Oszillator
28 angesteuert werden. Die Ausgänge der Umsetzer 26, 27 sind entsprechend der in
Fig. 4 dargestellten Ausführungsform mit den Komparatoren 21, 22 bzw. der Phasenschieberstufe
24 verbunden. Als Umsetzer 26, 27 eignen sich an sich bekannte Vorrichtungen, die
eine phasenkohärente Umsetzung gestattten, beispielsweise nach dem Sampling-Verfahren.
Bei einer Leitkabelfrequenz von 10 kHz und einer Zwischenfrequenz von beispielsweise
9,75 kHz ergibt sich damit am Ausgang der Umsetzer 26, 27 eine Signalfrequenz von
250 Hz, die eine Zählrate von 144 kHz der Rechenstufe 25 erfordert.
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Fig. 6 zeigt eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
bei der die Auszählung des Zeitintervalls zwischen den Anstiegs flanken der Impulszüge
c und d in einem externen Zähler vorgenommen wird. Hierzu ist der Ausgang des ersten
Komparators 21 mit einem Zähler 30 verbunden, in den die Impulse eines Referenzoszillators
31 eingezählt werden können. Der Zähler 30 und der Ausgang des ersten Komparators
21 sind außerdem mit einer Phasenregelstufe 32 verbunden, der an den Steuereingang
des einstellbaren Referenzoszillators 31 angeschlossen ist. Der Datenauszwang des
Zählers 30 ist schließlich auf einen Zwischenspeicher 33 geführt, dessen Befehlseingang
am Ausgang des
zweiten Komparators 22 liegt und von dem eine weitere
Datenleitung zur Rechenstufe 25 führt. Der Zähler 30 zählt in vom Impulszug d bestimmten
Zyklen die Impulse des einstellbaren Referenzoszillators 31, dessen Frequenz in
einem bestimmten Verhältnis zu der des Impulszuges d steht.
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Um dieses Frequenzverhältnis nachzuführen ist die Phasenreelschleife
mit der Phasenregelstufe 32 vorgesehen.
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Durch diese Phasenregelschleife wird bewirkt, daß in dem Zähler 30
pro Zyklus des Impuls zuges d jeweils eine vorbestimmte Anzahl von Ausgangs impulsen
des Referenzozsillators 31 eingezählt wird, beispielsweise 256 Zählimpulse pro Halbwelle
des Impulszuges d. Die Schaltflanke des Impuls zuges c am Ausgang des zweiten Komparators
22 speichert den jeweiligen Augenblickswert des Zählers 30 im Zwischenspeicher 33,
aus dem die Rechenstufe 25 zu jedem beliebigen Zeitpunkt den Inhalt auslesen kann.
Durch diese Anordnung kann die Taktfrequenz der Rechenstufe 25 unabhängig von der
übrigen Anordnung festgelegt werden, da ein ständig abrufbereites Meßergebnis vorliegt.
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Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnun mit Trägerfrequenzumsetzung
ist in Fig. 7 gezeigt.
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Die Ausgänge der Verstärker 20, 23 sind dabei auf Umsetzer 26, 27
geführt, die von untereinander phasenverschobenen Sampling Impulsen aus der Impulsformerstufe
34 angesteuert werden. Das Ausgangssignal des überlagerungsoszillators 28 schwingt
mit der vierfachen Frequenz gegenüber der Folgefrequenz der Sampling Impulse an
den Ausgängen der Impulsformerstufe 34, die zum Zweck der Phasendrehung einen 1
aus 4 Teiler enthält, der mit der Impulsfolge aus dem Überlagerungsoszillator 28
angesteuert wird.
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An den vier Ausgängen dieses Teilers sind Impulsfolgen verfügbar,
deren Folgefrequenz 1/4 der Teilereingangsfrequenz
beträgt, wobei
die Phasendifferenz zwischen benachbarten Ausgängen 900 beträgt. Aus zwei beliebigen,
benachbarten Ausgängen des Teilers werden die Sanpling Impulse abgeleitet.
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Die Umsetzer 26 und 27 liefern, entsprechend den Sampling Impulsen,
phasenversetzte Ausgangssignale. Damit kann die Phasenverschieberstufe 24 entfallen.