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Beschreibung
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Vorrichtung zur Geschwindigkeitsmessung von Fahrzeugen, insbesondere
Straßenfahrzeugen.
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Geschwindigkeitsmessung
von Fahrzeugen, insbesondere Straßenfahrzeugen.
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Für die Rekonstruktion von Kraftfahrzeugunfällen auf Straßen ist es
wichtig, die unmittelbar vor dem Unfall gefahrene Geschwindigkeit zeit- oder wegabhängig
über eine längere Zeit bzw. einen längeren Weg hinweg aufgezeichnet zu konservieren,
um hieraus Schlüsse über das Unfallgeschehen zu ziehen. Entscheidend ist dabei,
daß die Messung der Geschwindigkeit nicht ausgehend von den Rädern des Fahrzeuges
oder der Antriebsachse erfolgt, da bei den meisten Straßenfahrzeugen in der Endphase
des Unfalls eine Blockierung der Räder stattfindet, so daß die üblichen Tachometer
die Geschwindigkeit Null anzeigen, obwohl das (mit blockierten Rädern noch weiterrutschende)
Fahrzeug noch eine tatsächliche Geschwindigkeit hat.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Geschwindigkeitsmessung
von Fahrzeugen, insbesondere Straßenfahrzeugen vorzuschlagen, bei welcher diese
Messung unabhängig von umlaufenden Fahrzeugrädern oder einer umlaufenden Antriebsachse
erfolgt.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch folgende Merkmale gelöst:
a)
ein im Fahrzeug angeordneter Ultraschallgeber zur Emission von Ultraschallenergie
bestimmter Frequenz; b) ein im Fahrzeug angeordneter Ultraschallempfänger zur Aufnahme
eines Teiles derjenigen vom Ultraschallgeber emittierten Energie, welche von der
Fahrbahn des Fahrzeuges zum Empfänger hin reflektiert wird; c) ein mit dem Empfänger
verbundenes Frequenzmeßgerät zur Ermittlung der aufgrund des Dopplereffektes in
Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit geänderten Frequenz der reflektierten
Schallenergie; d) ein mit dem Frequenzmeßgerät verbundenes Auswertegerät zur Bestimmung
der Fahrzeuggeschwindigkeit aus der geänderten Frequenz.
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Die nachstehende Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele dient
im Zusammenhang mit beiliegender Zeichnung der weiteren Erläuterung. Es zeigen:
Fig. 1 schematisch eine Vorrichtung zur Geschwindigkeitsmessung mittels Ultraschall
in einem Kraftfahrzeug; Fig. 2 ein Blockschema der Meßvorrichtung aus Fig. 1 und
Fig. 3 als Blockschaltbild die Geschwindigkeitsmeßvorrichtung aus Fig. 1 und 2 im
Zusammenhang mit einer Anordnung zum Registrieren von Kraftfahrzeugunfällen.
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Fig. 1 zeigt schematisch ein Kraftfahrzeug 1, das sich in der durch
einen Pfeil 2 angedeuteten Fahrtrichtung auf einer Fahrbahn 3 (Straße, Weg) bewegt.
Im Kraftfahrzeug 1 ist fest eine
von den Kraftfahrzeugrädern 5 oder
deren Antriebsachse unabhängige Geschwindigkeitsmeßvorrichtung 4 angeordnet, die
als wesentliches Element in später noch zu erläuternder Weise einen Ultraschallgeber
(Sender) enthält, welcher seinerseits in Richtung des Pfeiles A Ultraschallenergie
abstrahlt. Die Abstrahlung erfolgt entgegengesetzt zur Fahrtrichtung schräg nach
unten in einem Winkel o( zur Fahrbahnoberfläche. Grundsätzlich könnte die Abstrahlung
auch in Fahrtrichtung erfolgen.
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Das Funktionsprinzip dieser Geschwindigkeitsmeßvorrichtung besteht
darin, daß man einen Teil der von der rauhen Fahrbahnoberfläche diffus reflektierten
Schallenergie mit Hilfe eines Ultraschallempfängers wieder in der Meßvorrichtung
4 auffängt und die aufgrund des Dopplereffektes in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit
gegenüber der emittierten Frequenz geänderte Frequenz der reflektierten Strahlung
mißt und hieraus mit Hilfe der bekannten Dopplereffekt-Formel die Fahrzeuggeschwindigkeit
mit Hilfe eines elektronischen Rechners berechnet. Die so ermittelte Fahrgeschwindigkeit
ist unabhängig von der Umlaufbewegung der Fahrzeugräder 5, also auch bei blockierenden
Rädern feststellbar, und kann mithin für eine Unfallaufzeichnung ausgenutzt werden.
Die oben erwähnte Formel für den Dopplereffekt lautet:
Es bedeuten: f die Frequenz der vom Ultraschallgeber emittierten Frequenz; c die
Schallgeschwindigkeit in Luft; ve die Geschwindigkeit des Ultraschallempfängers,
vs die Geschwindigkeit des Ultraschallsenders und k den Abstrahlwinkel bezüglich
der Fahrbahn. Je nachdem ob die Ultraschallabstrahlung
in oder
entgegen der Fahrtrichtung erfolgt, sind die Plus- und Minus-Zeichen in bekannter
Weise entsprechend zu wählen. ve und v5 sind natürlich gleich der Fahrzeuggeschwindigkeit
und ermöglichen somit deren Berechnung, da f und c bekannt sind und f', womit die
gegenüber der emittierten Frequenz geänderte (Doppler-)Frequenz bezeichnet ist,
in der Vorrichtung 4 gemessen wird.
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Fig. 2 zeigt anhand eines Blockschemas Aufbau und Wirkungsweise der
Meßvorrichtung 4. Ultraschallgeber und Ultraschallempfänger sind mit 6 bzw. 7 bezeichnet.
Mit dem Ultraschallempfänger 7, der die in Richtung des Pfeiles B von der Oberfläche
der Fahrbahn 3 reflektierte Ultraschallenergie aufnimmt, ist ein Frequenzmeßgerät
8 verbunden, welches die aufgrund des Dopplereffektes in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit
gegenüber der emittierten Frequenz f geänderte Frequenz f' der reflektierten Schallenergie
ermittelt.
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Das Frequenzmeßgerät 8 steht in Verbindung mit einem Auswertegerät
9, welches der Bestimmung der Fahrzeuggeschwindigkeit aus der geänderten Frequenz
f' dient. Die im Gerät 9 bestimmte Fahrzeuggeschwindigkeit kann zur Unfallaufzeichnung
ausgenutzt werden Das Blockschema der Fig. 3 zeigt den Einbau der Geschwindigkeitsmeßvorrichtung
4 in eine Anordnung zum Registrieren und Auswerten von Fahrunfällen bei Kraftfahrzeugen.
Es werde angenommen, daß die Vorrichtung 4 analoge Meßwerte liefert. In diesem Fall
ist der Vorrichtung 4 ein an sich bekannter Analog-Digital-Wandler 11 nachgeschaltet,
in welchem die eingegebenen, analogen Geschwindigkeitsdaten in digitale Geschwindigkeitsmeßwerte
umgewandelt werden. Liefert die Meßvorrichtung 4 bereits
von sich
aus digitale Geschwindigkeitsmeßwerte, kann der Wandler 11 natürlich entfallen.
Ein ebenfalls an sich bekannter Zeitgeber 12 sorgt dafür, daß die analogen Meßwerte
der Vorrichtung 4 in einem vorbestimmten Zeittakt dem Wandler 11 zugeleitet werden.
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Die digitalen Meßwerte aus dem Wandler 11 gelangen fortlaufend im
Zeittakt des Zeitgebers 12 in ein an sich bekanntes, z. B. aus Halbleiterelementen
gebildetes, elektronisches Schieberegister 13, welches so viele Speicherplätze aufweist,
wie zur zeitabhängigen Repräsentation einer für einen Fahrunfall relevanten Zeit
oder Wegstrecke normalerweise erforderlich sind. Legt man als relevante Zeit etwa
1 min. zugrunde und beträgt der Zeittakt o,1 sec., so liegt die Zahl der Speicherstellen
bei 6.oo. Bei einer mittleren Geschwindigkeit entspricht diese Zeit einer Wegstrecke
zwischen 500 und looo m. Eine entsprechend größere Anzahl von Speicherstellen muß
vorgesehen werden, wenn eine längere Zeit bzw. eine größere Wegstrecke berücksichtigt
werden soll.
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Aus den jeweils für die zuletzt durchfahrene, relevante Wegstrecke
gespeicherten Meßwerten läßt sich das Unrallgeschehen ziemlich genau rekonstruieren,
beispielsweise mit Hilfe eines an sich bekannten, externen Mikroprozessors 14. Zu
diesem Zwecke ist zumindest das eigentliche Schieberegister 13 als aus dem Fahrzeug
1 ausbaubare Einheit ausgebildet, so daß die in ihm gespeicherten Werte außerhalb
des Fahrzeuges durch den Mikroprozessor 14 ausgewertet werden können.
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Um zu verhindern, daß nach geschehenem Unfall das Schieberegister
1.3 weiterarbeitet und die für das Unfallgeschehen wesentlichen Meßwerte wieder
aus ihm hinausgeschoben werden und lo isches damit verlorengehen, ist ein an sich
bekannteR haltelement 15 vorgesehen, welches dann, wenn die gemessene Geschwindigkeit
über
eine bestimmte Zeit hinweg, die beispielsweise lo sec.
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beträgt, gleich Null geworden ist, ein Signal liefert, das dann den
Eingang des Schieberegisters an einem in Fig. 3 symbolisch dargestellten Schalter
17 sperrt und das Schieberegister außer Betrieb setzt. Damit stehen die zuletzt
für einen bestimmten Zeitraum und für die relevante Wegstrecke zeitabhängig gespeicherten
Meßwerte des Schieberegisters 13 für die Unfallauswertung zur Verfügung.
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Statt des Schieberegisters 13 lassen sich auch andere, an sich bekannte,
speichernde elektronische Bauteile verwenden. Aus den zeitabhängig gespeicherten
Geschwindigkeitswerten lassen sich mit Hilfe bekannter Maßnahmen und elektronischer
Geräte auch ohne weiteres (Differentiation, Integration) die zugehörigen Beschleunigungs-
und Wegstreckenwerte gewinnen und ebenfalls zur Rekonstruktion des Unfallgeschehens
heranziehen.
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Für eine noch genauere Analyse eines Unfallvorganges kann es nützlich
sein, zusätzliche Meßwertgeber zur Verfügung zu haben, beispielsweise für den gerade
herrschenden Schaltzustand der Blinker des Kraftfahrzeuges, die jeweiligen Stellungen
des Brems- und/oder Gaspedals, die Betätigung der Hupe usw. Auch diese zusätzlichen
Meßwerte werden zeitabhängig fortlaufend in das Schieberegister 13 eingespeichert
und anschließend mit ausgewertet. In Fig. 3 sind zwei zusätzliche Meßwertgeber 18,
19 dieser Art eingezeichnet, die ebenfalls durch den Zeitgeber 12 gesteuert sein
können.
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Die Schallgeschwindigkeit ist bekanntlich von der Temperatur abhängig.
Da Kraftfahrzeuge im Betrieb Temperaturdifferenzen
von bis zu etwa
600 C unterliegen können, kann hierdurch die Genauigkeit der beschriebenen, auf
der Ausnutzung des Doppler-Effektes beruhenden Geschwindigkeitsmeßvorrichtung beeinträchtigt
werden. Um dem zu begegnen, wird in die Meßvorrichtung 4 eine Temperaturkorrektureinrichtung
eingebaut. Dies ist ebenfalls in Fig. 2 dargestellt. Ein Temperatursensor 21 fühlt
ständig die Umgebungstemperatur des Fahrzeuges 1 ab. Ein Rechner 22 ist einerseits
mit dem Temperatursensor 21 und andererseits mit dem Auswertegerät 9 verbunden.
Dieser Rechner ist in herkömmlicher Weise auf der Basis des bekannten, formelmäßigen
Zusammenhangs zwischen Temperatur und Schallgeschwindigkeit derart programmiert,
daß er an der gemessenen Fahrzeuggeschwindigkeit ständig die erforderliche, z. B.
auf Normaltemperatur bezogene, temperaturabhängige Korrektur vornimmt.
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Bei einer anderen Ausführungsform einer Temperaturkorrektureinrichtung
arbeitet der Rechner 22 nicht auf der Basis des formelmäßigen Zusammenhangs zwischen
Temperatur und Schallgeschwindigkeit sondern es ist ihm (vgl. ebenfalls Fig. 2)
ein Speicher 23, beispielsweise in Gestalt eines nicht flüchtigen Halbleiterspeichers,
zugeordnet, in dem eine empirisch ermittelte Auswahl temperaturabhängiger Funktionswerte
der Schallgeschwindigkeit abgespeichert ist. Diese Werte werden jeweils in Abhängigkeit
von der vom Sensor 21 abgefilhlten Temperatur abgerufen und im Rechner 22 zur Ermittlung
der tatsächlich vorliegenden Fahrzeuggeschwindigkeit ausgewertet.
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Es wurde ferner gefunden, daß die Genauigkeit der beschriebenen Geschwindigkeitsmeßvorrichtung
auch durch Querschwingungen des Fahrzeuges beeinträchtigt werden kann. Solche Querschwingungen,
also Schwingungen des Fahrzeuges um eine quer zur
Fahrtrichtung
(Pfeil 2 in Fig. 1) verlaufende Horizontalachse treten insbesondere beim Fahren
auf unebener Straße auf. Sie führen dazu, daß sich der Winkel in einem Bereich von
ständig ändert, wodurch die Strecke zwischen Ultraschallgeber und Auftreffpunkt
der Schallenergie auf der Fahrbahn sich ständig ändert (Fig. 1). Den hierdurch entstehenden
Meßfehler kann man bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform dadurch beheben,
daß man zwei Geber-Empfänger-Systeme der in Fig. 2 dargestellten Art verwendet,
deren Abstrahl- bzw. Einstrahlrichtungen (Pfeil A und Pfeil A' in Fig. 1) unter
verschiedenen Winkeln zur Fahrbahn 3 hin geneigt sind. Diese Systeme werden in an
sich bekannter Weise derart zusammengeschaltet, daß sich die durch die Winkeländerungen
« ergebenden Meßfehler rechnerisch kompensieren Es wurde gefunden, daß sich insbesondere
bei Berücksichtigung der erläuterten Temperatur- und Querschwingungskorrekturen
mit Hilfe der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung eine sehr genaue Geschwindigkeitsbestimmung
ausführen läßt. Diese Geschwindigkeitsbestimmung eignet sich im übrigen nicht nur
zur Verwertung bei der Unfallaufzeichnung. Die gemessenen Geschwindigkeitswerte
können auch unmittelbar im Fahrzeug zur Anzeige gebracht werden, wie in Fig. 2 durch
das Anzeigegerät 24 angedeutet.
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Eine solche - analog oder digital erfolgende - Geschwindigkeitsanzeige
kann auch ohne Zusammenschaltung mit der Vorrichtung 4 mit einer Anordnung gemäß
Fig. 3 vorgenommen werden.
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Weiterhin eignen sich Geschwindigkeitsmeßgeräte der hier beschriebenen
Art nicht nur für Straßenfahrzeuge sondern auch für Schienen- und Wasserfahrzeuge.
Am Anzeigegerät 24 kann die Geschwindigkeit in beliebigen Einheiten angezeigt werden,
beispielsweise km/h, m/s, miles/h etc.
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Um die Strahleneintritts- und Austrittsöffnungen an Geber 6 und Sender
7 vor Verschmutzung zu schützen, ist es vorteilhaft, diese Öffnungen entsprechend
Fig. 1 seitlich ringsum mit einem Rohr 25 zu umgeben und die Meßvorrichtung 4 so
im Fahrzeug 1 anzuordnen, daß die Abstrahlung entgegen der Fahrtrichtung (Pfeil
2) erfolgt. Das Rohr 25 kann zylindrisch oder kegelförmig ausgebildet sein.
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