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BESCHREIBUNG
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Die Erfindung bezieht sich auf eine bei Verkehrsleitsystemen anwendbare
Straßenzustandsermittlungseinrichtung und richtet sich insbesondere auf eine verbesserte
Einrichtung zur Ermittlung von Straßenzuständen,wie Trockenheit, Nässe, Schnee oder
Glatteis.
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Die Verhütung von Glatteis oder Schneeunfällen ist ein wesentlicher
Gesichtspunkt bei Verkehrsleitsystemen, und zu diesem Zweck ist es erforderlich,
den Straßenzustand schnell und exakt zu ermitteln. Hierzu ist bereits eine Reihe
von Einrichtungen bekannt.
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Eine der herkömmlichen Einrichtungen ist so aufgebaut, daß ein Detektor,
der Wasser und Temperaturen nachweist, unter der Straßenoberfläche installiert ist
und die Einrichtung den Straßenzustand auf der Grundlage von Ausgangssignalen des
Detektors beurteilt. Eine solche Einrichtungist jedoch insofern nachteilig, als
die Installierung des Detektors erhebliche Straßenarbeit erfordert und der unter
der Straßenoberfläche eingebaute Detektor durch den Straßenverkehr der Gefahr von
Beschädigungen unterliegt, weshalb zeit- und arbeitsaufwändige Wartungsarbeiten
erforderlich sein können. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß sich das Nachweisfeld
auf den engen Bereich des Detektors beschränkt, so daß sich eine gewünschte Ermittlung
des Straßenzustands nicht immer exakt durchführen läßt.
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Eine weitere herkömmliche Nachweiseinrichtung ist so aufgebaut, daß
ein Lichtwerfer sichtbare Strahlung auf die zu untersuchende Straßenoberfläche wirft,
wobei die Einrichtung den Straßenzustand auf der Basis des an der Straßenoberfläche
reflektierten Lichts ermittelt. Eine solche Einrichtung hat den Nachteil, daß sie
nicht eine
trockene Straßenoberfläche von einer mit Schnee, Erde
bzw.
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Sand und Wasser (im folgenden als "Schneematsch" bezeichnet) verschmutzten
Straße oder einer Straße mit staubbedecktem Schneebelag (im folgenden als "Schwarzschnee"
bezeichnet) unterscheiden kann, weil das Reflexionsvermögen von Schneematsch oder
Schwarz schnee dem trockener Straße ähnlich ist. Wenn die mit der Einrichtung zu
untersuchende Straßenoberfläche so mit Staub oder Sand belegt ist, daß sie weiß
wird, kann es Fälle geben, in denen die Einrichtung die Straßenoberfläche fälschlicherweise
als schneebedeckt beurteilt. Eine exakte Ermittlung des Straßenzustands läßt sich
mit dieser Ermittlungseinrichtung nur schwer erwarten.
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Ziel der Erfindung ist daher die Schaffung einer Straßenzustandsermittlungseinrichtung,
die leicht an einem gewünschten Platz angebracht werden kann, einfach im Aufbau
ist und sich leicht warten läßt.
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Ferner ist es Ziel der Erfindung, eine Straßenzustandsermittlungseinrichtung
zu schaffen, welche zur exakten und schnellen Ermittlung des Straßenzustands Infrarotstrahlung
verwendet.
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Darüber hinaus ist es Ziel der Erfindung, eine StraBenzustandsermittlungseinrichtung
zu schaffen, die exakt zwischen Straßenzuständen wie Schnee, gefroren (Glatteis),
Trockenheit und Nässe unterscheiden kann.
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Hierzu schlägt die Erfindung eine Straßenzustandsermittlungseinrichtung
vor, welche aufweist: eine Lichtwerfereinrichtung, welche den Infrarotbereich des
Spektrums enthaltendes Licht auf eine zu untersuchende Straßenoberfläche wirft,
wobei die Infrarotstrahlung eine Wellenlänge hat, bei der das Reflexionsvermögen
von Schnee geringer als dasjenige trockener Straße ist, eine Lichtempfängerein-
richtung
für den Empfang von an der Straßenoberfläche reflektiertem Licht und zur Erzeugung
von Ausgangssignalen, die die Lichtenergie des reflektierten Lichts wiedergeben,
eine Vergleichseinrichtung zum-Vergleich der Ausgangssignale mit bestimmten Referenzsignalpegeln,
die in bestimmter Weise eingeordneten Straßenzuständen entsprechen, wobei Vergleichsausgangssignale
erzeugt werden, die das Ergebnis des Vergleichs wiedergeben, und eine Beurteilungseinrichtung
zur Beurteilung des Straßenzustands als einen der eingeordneten Straßenzustände
entsprechend den Vergleichsausgangssignalen.
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Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung in
Verbindung mit der beigefügten Zeichnung beschrieben. Auf dieser ist Fig. 1 eine
schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der Straßenzustandsermittlungseinrichtung
gemäß der Erfindung, Fig. 2 ein Blockschaltbild der Ermittlungseinrichtung der Fig.
1, Fig. 3 eine der Erläuterung der Erfindung dienende Kurvendarstellung des theoretischen
spektralen Reflektionsvermögensvon schneeiger, gefrorener und trockener Straßenoberfläche,
Fig. 4 ein schematisches Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform der Straßenzustandsermittlungseinrichtung
gemäß der Erfindung, Fig 5 ein schematisches Blockschaltbild einer wiederum weiteren
Ausführungsform der Straßenzustandsermittlungseinrichtung gemäß der Erfindung, und
Fig.
6 ein Flußdiagramm zur Veranschaulichung der Arbeitsweise der Ermittlungseinrichtung
der Fig. 5.
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Fig. 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Straßenzustandsermittlungseinrichtung
gemäß der Erfindung.
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Die Straßenzustandsermittlungseinrichtung umfaßt einen Lichtwerfer
1, der Infrarotstrahlung auf die zu untersuchende Straßenoberfläche 4 wirft, einen
Spiegellichtsensor 11 für an der Straßenoberfläche 4 gerichtet reflektierte Infrarotstrahlung,
einen Streulichtsensor 21, ein Strahlungsthermometer 30 zur Ermittlung der Temperatur
der Straßenoberfläche 4 anhand der von ihr abgestrahlten Strahlung und eine mit
den Sensoren 11 und 21 sowie dem Thermometer 5 gekoppelte Signalverarbeitungseinheit
5. Die Signalverarbeitungseinheit 5 ist außerdem mit einem (in der Zeichnung nicht
dargestellten) Verkehrsleitsystem eines Verkehrssicherheitssystems verbunden.
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An einem am Rand der Straßenoberfläche 4 stehenden Mast 2 ist ein
Trägerarm 3 befestigt. Der Lichtwerfer 1 ist am Arm 3 so befestigt, daß er Licht
unter konstantem Einfallswinkel auf einenNachweisbereich der Straßenoberfläche 4
wirft. Der Einfallswinkel muß nicht besonders gewählt sein, da er die Nachweischarakteristik
der Einrichtung nicht beeinflußt. Der Lichtwerfer 1 enthälteine Lampe, die Strahlung
im Infrarotbereich des Spektrums zwischen 1,4 und 2,5 Mikrometer abstrahlt. Bei
der Lampe kann es sich um eine Halogendampflampe mit breitem Emissionsspektrum,
das sowohl den sichtbaren als auch den Infrarotbereich abdeckt und ein Maximum bei
ungefähr 1 Mikrometern hat, oder um eine Quecksilberdampflampe mit einem Emissionsspektrum
im Bereich zwischen 1,2 und 2,5 Mikrometer handeln. Vor der Lampe ist im Lichtwerfer
1 ein Infrarotfilter vorgesehen, das Infrarotstrahlung mit einer Wellenlänge von
mehr als 1,4 Mikrometer durchläßt. Das einen solchen Infrarot-
anteil
aufweisende Licht der Lampe wird durch eine optische Linse geeignet fokussiert und
auf die Straßenoberfläche 4 geworfen. Der Bereich der Oberfläche 4, auf den das
Licht in dieser Weise auftrifft, sollte ausreichend groß sein, um Höhenänderungen
der Straßenoberfläche durch eine Schneeauflage zu kompensieren.
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Der Spiegellichtsensor 11 ist am Arm 3 so befestigt, daß er das an
der Straßenoberfläche 4 unter einem Winkel, der gleich dem Einfallswinkel ist, reflektierte
Licht erhält. Der Streulichtsensor 21 ist am Arm 3 an einer anderen Stelle als der
Sensor 11 so befestigt, daß er an der Straßenoberfläche 4 streureflektiertes Licht
erhält. Die Sensoren 11 und 21 enthalten photoelektrische Wandlerelemente und Infrarotfilter,
die vor diesen angeordnet sind. Die Filter lassen Infrarotstrahlung einer Wellenlänge
oberhalb 1,4 Mikrometern durch, so daß von der Sonne oder der Straßenbeleuchtung
herrührendes Fremdlicht vermindert ist. Die photoelektrischen Wandlerelemente können
auf der Basis von Bleisulfid (PbS) oder Bleiselenid (PbSe) aufgebaut sein.
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Die Sensoren 11 und 21 erzeugen also Ausgangssignale, welche die Strahlungsenergieen
im spiegel- und streureflektierten Licht wiedergeben.
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Gemäß Fig. 2 enthält die Signalverarbeitungseinheit 5 Verstärker
12 und 22, Multiplizierer 13 und 23, Tiefpaßfilter 14 und 24, Komparatoren 15, 16
und 25, und eine Beurteilungsschaltung 40. Eine Wechselspannungsquelle 10 ist mit
dem Lichtwerfer 1 verbunden. Von der Spannungsquelle 10 erzeugte Sinussignale einer
Frequenz von 60 Hz werden auf die Multiplizierer 13 und 23 gegeben. Durch das Sinussignal
der Spannungsquelle 10 wird auch der Lichtwerfer 1 erregt. Die Ausgangssignale der
Sensoren 11 und 21 werden durch die Verstärker 12 und 22 verstärkt und die verstärkten
Signale auf die Multiplizierer 13 und 23 gegeben. Die Multiplizierer 13 und 23 ziehen
die verstärkten Signale synchronisiert mit dem Sinussignal der Spannungsquelle 10
heraus und wandeln die
herausgezogenen Signale in Gleichspannungssignale
um. Es werden also die durch den Sinus der Spannungsquelle 10 modulierten Signale
11 und 21 zu solchen Gleichspannungssignalen demoduliert. Die Ausgangssignale der
Multiplizierer 13 und 23 enthalten das Gleichspannungssignal, ein Wechselspannungssignal
von 120 Hz und rauschen. Die Ausgangssignale werden auf die Tiefpaßfilter 14 und
24 gegeben, welche die 120 Hz Wechselspannungssignale und das Rauschen abblocken,
aber die Gleichspannungssignale durchlassen. Die Ausgangssignale der Filter 14 und
24 enthalten Information, die den Zustand der Straßenoberfläche 4 betrifft, und
werden auf die Komparatoren 15, 16 und 25 gegeben.
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Fig. 3 zeigt die theoretischen Kurven 31, 32 und 33 für das spektrale
Reflexionsvermögen einer Straßenoberfläche mit weißem Schneebelag, mit Eisbelag
und in trockenem Zustand. Das in Fig. 3 angegebene Reflexionsvermögen meint jeweils
das Reflexionsvermögen bezogen auf Bariumsulfat.
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Das Reflexionsvermögen einer mit einem weißen Schneebelag versehenen
Straßenoberfläche, wie es durch Kurve 31 in Fig. 3 wiedergegeben wird, ist hoch
im Bereich sichtbarer Wellenlängen, nimmt in der Nähe des Infrarotbereichs allmählich
ab und fällt in der Gegend von 1,4 Mikrometer scharf ab. Mit der Alterung des Schnees
geht die Reflexionskurve 31 insgesamt etwas nach unten. Die Kurve 33 ändert sich
ebenfalls mit den Bedingungen.
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Die experimentellen Werte für die Ausgangssignale der Filter 14 und
24 sind in der folgenden Tabelle 1 mit Bezug auf trockene Beton- (oder Asphalt-)Oberfläche
(TROCKEN), nasse Beton- (oder Asphalt-)Oberfläche (NASS) und schneebedeckte Beton-
(oder Asphalt-)Oberfläche (SCHNEE) wiedergegeben. Der Zustand SCHNEE ist weiter
unterteilt in die drei Zustände WEISSER SCHNEE, SCHNEE-MATSCH und SCHWARZSCHNEE.
Die in der Tabelle 1 enthaltenen Werte sind typische Werte im Wellenlängenbereich
zwi-
schen 1,4 und 2,5 Mikrometer.
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TABELLE 1
| Ausgangs- PIEGELREFLEXION STREUREFLEXION |
| ignal |
| Zustand <FILTER 14) (FILTER 24) |
| TROCKEN 200 340 |
| NASS 800 140 |
| WEISSER SCHNEE 100 1 |
| SCHNEE SCHNEEMATSCH |
| SCHWARZSCHNEE 100 160 |
mV Aus Tabelle 1 ergibt sich, daß das Reflexionsvermögen von Schnee unabhängig davon,
ob es sich um weißen Schnee, Schneematsch, oder Schwarzschnee handelt, geringer
ist, was daran liegt, daß Schnee Infrarotstrahlung absorbiert.
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Bei nassem Straßenzustand wird Infrarotstrahlung durch Wasser absorbiert,
andererseits spiegelt die nasse StraBe,-so daß das Spiegelreflexionsvermögen erhöht
ist, während das Streureflexionsvermögen herabgesetzt ist. Bei trockenem StraBenzustand,
bei dem die Straßenoberfläche diffus bzw. rauh ist, liegt das Spiegelreflexionsvermögen
zwischen dem Reflexionsvermögen für nassen und demjenigen für Schnee-Straßenzustand,
während das Streureflexionsvermögen über denjenigen für nassen und
Schnee-Straßenzustand
liegt.
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Im Komparator 15 ist intern so ein Referenzsignalpegel,PEGEL Al (beispielsweise
150 mV), gesetzt, daß er zwischen den Ausgangssignalwerten des Filters 14 für trockene
und schneebedeckte Straße liegt. Im Komparator 16 ist ein Referenzsignalpegel, PEGEL
A2 (beispielsweise 500 mV), so gesetzt, daß er zwischen den Ausgangsisgnalwerten
des Filters 14 für nasse und trockene Straße liegt. Im Komparator 25 ist ebenfalls
intern ein Referenzsignalpegel,PEGEL B (beispielsweise 250 mV), so gesetzt, daß
er zwischen den Ausgangssignalwerten des Filters 24 für trockene und nasse oder
schneebedeckte Straße liegt. Im Hinblick auf Tabelle 1 sind die einzelnen Komparatoren
15, 16 und 25 so eingerichtet, daß sie je nach Ausgangssignalwerten der Filter 14
und 24 Logiksignale "1" oder "0" erzeugen, wie sie in der folgenden Tabelle 2 gezeigt
sind.
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TABELLE 2 SPIEGELREFLEXION STREUREFLEXION (AUS-(AUSGANGSSIGNALE DES
GANCSSIGNALE DES FILTERS 14) FILTERS 24)
| ZUSTAND AUSGANGSSIGNAL AUSGANGSSIGNAL ZUSTAND AUSGANGSSIGNAL |
| KOMPARATOR 15 KOMPARATOR 16 KOMPARATOR 25 |
| 1 0 1 |
| NASS (>A1) (# A2) TROCKEN (>B) |
| -- # ----- PEGEL A2 ------------ # PEGEL B ------- |
| 1 1 0 |
| TROCKEN (A1) (<A2) NASS ( C B ) |
| oder |
| --- # ----- PEGEL A1 --------- SCHNEE |
| 0 1 |
| SCHNEE (# A1 ) (<A2) |
A1 = 150 mV A2 = 500 mV B = 250 mV
In Tabelle 2 zeigen die Logikdaten
(1,0), (1,1) und (0,1) als Kombination der Ausgangsdaten der Komparatoren 15 und
16 den Straßenzustand Nass, Trocken bzw. Schnee an. Das Logiksignal "1" des Komparators
25 bedeutet trockenen Straßenzustand, das Logiksignal "0" dieses Komparators nassen
oder Schnee-Straßenzustand. Die von den Komparatoren 15, 16 und 25 erzeugten und
in Tabelle 2 wiedergegebenen Logiksignale werden auf die Beurteilungsschaltung 40
gegeben. Das Strahlungsthermometer 30 ist am Mast 2 so befestigt, daß es die Temperatur
des durch den Lichtwerfer 1 bestrahlten Nachweisbereichs der Straßenoberfläche 4
mißt, wobei ein vom Thermometer erzeugtes, die festgestellte Temperatur ergebendes
Signal ebenfalls auf die Beurteilungsschaltung 40 gegeben wird. Die Beurteilungsschaltung
40 enthält eine Logikschaltung, welche eine abschließende Beurteilung des Zustands
der Straßenoberfläche 4 abgibt, die auf der Beurteilung auf der Basis der Logiksignale
bzw. Vergleichsausgangssignale der Komparatoren 15 und 16 für spiegelreflektiertes
Licht, der Beurteilung auf der Basis der Logiksignale des Komparators 25 für streureflektiertes
Licht sowie dem Signal des Thermometers 31 für die festgestellte Temperatur beruht.
In der gleichen Logikschaltung wird die abschließende Beurteilung in die vier Zustände
Trocken, Nass, Gefroren (Glatteis) und Schnee klassifiziert. Mit anderen Worten,
die Logikschaltung der Schaltung 40 enthält ein vorgegebenes Muster von Logiksignalen,
wie es in Tabelle 3 gezeigt ist, und führt die abschließende Beurteilung entsprechend
diesem Muster durch.
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TABELLE 3
| ABSCHLIESSENDE BEURTEILUNG BA- BEURTEILUNG BA- BEURTEILUNG
BA- |
| BEURTEILUNG SIEREND AUF SIEREND AUF SIEREND AUF |
| SPIEGELREFLEXION sTEUEEfUExION -TEMPERErUR |
| TROCKEN TROCKEN TROCKEN KEINE |
| NASS NASS NASS ODER NASS (> -3°C) |
| SCHNEE |
| GEFROREN NASS NASS ODER GEFROREN (#-3°C) |
| SCHNEE |
| TROCKEN NASS ODER |
| SCHNEE |
| SCHNEE SCHNEE TROCKEN KEINE |
| SCHNEE NASS ODER |
| TROCKEN |
Die Kombination der Tabelle 3 kann durch Änderung der Referenzpegel A1,'A2 und B
beliebig abgewandelt werden Die Beurteilungsschaltung 40 enthält ein mit den Komparatoren
15, 16 und 25 verbundenes Register 41, einen Zeitgeber 44, einen Dekodierer 42,
ein ODER-Glied 43, UND-Glieder 46 und 48, und ein NICHT Glied 47. Im Zeit-
geber
45 ist eine bestimmte minimale Nachweiszeit eingestellt, welche länger als die Zeit
ist, während der ein vorbeifahrender Wagen im Nachweisbereich der Straßenoberfläche
4 des Systems vorhanden ist. Das vom Lichtwerfer 1 kommende reflektierte Licht wird
nämlich durch den auf der Straßenoberfläche 4 vorhandenen vorbeifahrenden Wagen
unterbrochen, die Zeit, für die dies geschieht, ist im allgemeinen jedoch kürzer
als die Zeit, während der das reflektierte Licht durch die Sensoren unbehindert
empfangen wird. Die minimale Nachweiszeit wird dementsprechend vorher im Zeitgeber
44 eingestellt, und wenn irgendeines der Ausgangssignale der Komparatoren 15, 16
und 17 während der eingestellten minimalen Nachweiszeit unverändert bleibt, werden
die Ausgangssignale der Komparatoren zur nachfolgenden Aufgabe auf den Dekodierer
42 im Register 41 zwischengespeichert. Der Dekodierer 42, das ODER-Glied 43, die
UND-Glieder 46 und 48, und das NICHT-Glied 47 verarbeiten die Ausgangs signale des
Registers 41 entsprechend der in Tabelle 3 wiedergegebenen Logiktabelle und erzeugen
Beurteilungssignale, die anzeigen, daß der Zustand der Straßenoberfläche 4 gefroren,
naß, schneeig oder trocken ist.
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Bei der vorliegenden Ausführungsform verwendet die Straßenzustandsermittlungseinrichtung
Infrarotstrahlung im Wellenlängenbereich oberhalb 1,4 Mikrometer, in welchem das
Reflexionsvermögen von Schnee geringer als dasjenige trockener Straße ist, und ist
dabei in der Lage, jede Art von Schnee, wie etwa weißen Schnee, Schneematsch, Schwarzschnee
oder dergleichen, zu ermitteln. Die Straßenzustandsermittlungseinrichtung kann gegebenenfalls
durch Weglassen des Thermometers 30 abgewandelt sein. Es versteht sich, daß die
Straßenzustandsermittlungseinrichtung dann zwar in der Lage ist, Trockenheit, Nässe
oder Schnee festzustellen, nicht aber, ob die Nässe Nässe im eigentlichen Sinne
oder gefrorene Nässe (Zustand Gefroren bzw.
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Glatteis) ist.
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Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungform der Straßenzustandsermittlungseinrichtung
gemäß der Erfindung, die eine eine-Abwandlung der in Fig. 2 gezeigten Einrichtung
ist. Die Ermittlungseinrichtung der Fig. 4 benützt Licht bei sichtbaren und Infrarotwellenlängen,
wodurch eine gefrorene Straßenoberfläche ohne Verwendung eines Thermometers nachgewiesen
werden kann, und umfaßt einen Lichtwerfer 103, einen Infrarotreflexionssensor 101,
einen Reflexionssensor für sichtbares Licht 102, Verstärker 111 und 121, Tiefpaßfilter
112 und 122, Komparatoren 113, 114 und 123 sowie eine Beurteilungsschaltung 130.
Der Lichtwerfer 103 kann an der Stelle des Thermometers 31 der Fig. 1 so angeordnet
sein, daß er Licht mit sichtbaren und Infrarotwellenlängen auf ein mit der Einrichtung
zu untersuchendes Nachweis feld der Straßenoberfläche wirft. Der Infrarotreflexionssensor
101 und der Reflexionssensor für sichtbares Licht 102 können etwa in der Lage von
Lichtwerfer 1 oder Sensor 21 aus Fig. 1 so angeordnet sein, daß sie an der Straßenoberfläche
streureflektierte Infraröt- und sichtbare Strahlung empfangen.
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Der Lichtwerfer 101 enthält eine Lichtquelle, welche Strahlung im
Sichtbaren und Infraroten (1,4 bis 2,5 Mikrometer) erzeugt und kann eine Quecksilberdampflampe
sein. Der Infrarotreflexionssensor 101 kann den gleichen Aufbau haben wie Sensor
11 oder 21 aus Fig. 1 und weist streureflektierte Infrarotstrahlung bei Wellenlängen
zwischen 1,4 und 2,5 Mikrometer nach. Der Reflexionssensor für sichtbares Licht
102 enthält eine Photodiode und ein im Sichtbaren durchlässiges Filter, so daß er
nur streureflektiertes sichtbares Licht nachweist.
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Die von den Sensoren 101 und 102 erzeugten Ausgangssignale werden
durch die Verstärker 111 und 121 verstärkt, durch die Filter 112 und 122 zur Verminderung
von Fremdstörungen gefiltert und als Gleichspannungssignale auf die Komparatoren
113, 114 und 123 gegeben. Falls gewünscht, können das Licht des Lichtwerfers 103
mit einer geeigneten Frequenz moduliert und die modulierten Signale der Sensoren
101 und 102 in den Verstärkern 111 und 121 demoduliert werden, wie
dies
für die Einrichtung der Fig. 2 vorgesehen ist.
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Wie in Fig. 3 dargestellt, ist das Reflexionsvermögen für gefrorene
Straße bzw. Glatteis bei Wellenlängen oberhalb 1,4.Mikrometer höher als dasjenige
von Schnee (oder Wasser) und niedriger als dasjenige von trockener Straßenoberfläche
(Beton oder Asphalt). Die Tendenz dieser Reflexionskurven bleibt erhalten, auch
wenn die Reflexionswinkel für die Sensoren 101 und 102 geändert werden.
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In Tabelle 4 sind die von den Komparatoren 113, 114 und 123 erzeugten
logischen Ausgangssignaldaten basierend auf den experimentellen Daten der Einrichtung
der Fig. 4 für vier Straßenzustände, nämlich trocken, gefroren, schneebedeckt und
naß wiedergegeben.
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TABELLE 4
| INFRAR2T-REFLEXIONSSIGNAL SICHTBARES REFLEXIONSSIGNXL |
| (Ausgangssignal des Filters 112) (Ausgangssignal des Filters122) |
| Straßen- Signal- Ausgangs- Ausgangs- Straßen- Signal- i Ausgangs- |
| zustand pegel signal signal zustand i pegel signal |
| Kompara- Kompara- Komparator 123 |
| tor 113 tor 114 |
| WEISSER |
| TROCKEN 550 1 O SCHNEE 750 |
| (>C1) (> 1 |
| TROCKEN 2,0 1 (>D) |
| - - »/~ - . - PEGEL C2 - - - - - - - - - - - 2 - - - PEGEL
D |
| GEFROREN 330 1 1 NASS 80 0 |
| (?C1) (( C2) ((o) |
| - ~ V ~ - - PEGEL Cl - |
| SCHNEE |
| oder 80 0 1 |
| NASS ( (cl) ((C2) |
PEGEL: Cl = 200 mV, C2 = 400 mV, D = 150 mV
Die oben angegebenen
Ausgangssignalwerte der Filter 112 und 122 sind die mittleren Ausgangssignalwerte
der Filter, gemessen über den Spektralbereich von Infrarot-Reflexionslicht zwischen
1,4 und 2,5 Mikrometer. Der Komparator 113 hat einen Referenzsignalpegel PEGEL C1,
so daß, wenn der Straßenzustand trocken oder gefroren ist, der Komparator 113 das
Logiksignal "1" erzeugt. Der Komparator 114 hat einen Referenzsignalpegel PEGEL
C2, so daß, wenn der Straßenzustand gefroren, schneebedeckt oder naß ist, der Komparator
114 das Logiksignal "1" erzeugt. Der Komparator 123 hat einen Referenzsignalpegel
PEGEL D, so daß, wenn der Straßenzustand schneebedeckt oder trocken ist, der Komparator
123 das Logiksignal "1" erzeugt. Durch Vergleich des Ausgangssignals des Filters
112 und desjenigen des Filters 122 mit den Referenzsignalpegeln PEGEL C1, PEGEL
C2 und PEGEL D erzeugen die betreffenden Komparatoren 113, 114 und 123 also Logiksignale
"1" oder "0", die den betreffenden Straßenzuständen entsprechen, wie dies in Tabelle
4 gezeigt ist.
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In Tabelle 4 ist das Infrarot-Reflexionsvermögen von Schnee oder
Wasser verhältnismäßig niedrig, weil die Infrarotstrahlung durch Wasserkomponenten
absorbiert wird.
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SCHNEE in der Spalte INFRAROT-REFLEXIONSSIGNAL der Tabelle 4 schließt
Schneematsch- und Schwarzschnee-Bedingungen ein.
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Gefrorene Straßenoberfläche hat ein Reflexionsvermögen, das über
demjenigen von schneebedeckter oder nasser Straße liegt, weil die Infrarotstrahlung
durch Eis nicht absorbiert wird. Bei trockener Straße erzeugt das Filter 112 das
höchste Ausgangssignal, weil eine trockene Straßenoberfläche eine zerstreute bzw.
rauhe Oberfläche hat. Bei weißem Schnee erzeugt das Filter 122 das höchste Ausgangssignal,
weil das Reflexionsvermögen bei sichtbaren Wellenlängen nahezu 100% beträgt. iBISSER
SCHNEE in der Spalte SICELCBARES RE5EXIONSSIOmL der Tabelle 4 schließt Schnee matsch-
oder Schwarzschnee-Bedingungen nicht ein. Das Ausgangssignal des Filters 122 hat
den niedrigsten Wert bei nasser Straße, weil nasse Straße
eine
Spiegel fläche hat und die Streureflexion vermindert ist, obwohl die Spiegelreflexion
erhöht ist. Bei trockenem Straßenzustand hat die Straße eine diffuse bzw. rauhe
Oberfläche mit niedrigem Reflexionsvermögen, das demjenigen von Schneematsch oder
Schwarz schnee im Sichtbaren ähnlich ist.
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Aus Tabelle 4 ist ersichtlich, daß, wenn die Kombinationsdaten der
Ausgangssignale der Komparatoren 113 und 114 (nämlich Ausgangssignal des Komparators
113, Ausgangssignal des Komparators 114) (1,0) sind, diese Kombinationsdaten den
Straßenzustand TROCKEN anzeigen. nn die Kombination (1,1) ist, zeigt dies den Straßenzustand
GEFROREN (Glatteis) an. Die Kombination (0,1) zeigt den Straßenzustand SCHNEE oder
NASSE an.
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Die Beurteilungsschaltung 130 erzeugt ein Ausgangssignal, daß den
Straßenzustand Schnee, Gefroren, Nässe oder Trockenheit, basierend auf den Ergebnissen
des Vergleichs in den Komparatoren 113, 114 und 123, repräsentiert.
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Das heißt, die Schaltung 130 beurteilt den Straßenzustand auf der
Grundlage der Ausgangs signale der Komparatoren 113 und 114, die sich auf Infrarotstrahlung
beziehen.
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Ferner beurteilt die Schaltung 130 den Straßenzustand auf der Grundlage
der Ausgangssignale des Komparators 123, die sich auf sichtbare Strahlung beziehen.
Dann beurteilt die Beurteilungsschaltung 123 schließlich den Straßenzustand auf
der Grundlage der beiden sich auf Infrarotstrahlung und auf sichtbare Strahlung
beziehenden Beurteilungen, wie dies in Tabelle 5 gezeigt ist.
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TABELLE 5
| ABSCHLIESSENDE BEtEEEILUNG BASIEREND BEURTEILUNG BASIEREND |
| AUF INFIEFLEXION AUF INFRAROTREFLEXION AUF SICHTBARER REFLEXION |
| TROCKEN SCHNEE ODER TROCKEN |
| TROCKEN --------- |
| FEHLER TROCKEN NASS |
| GEFROREN SCHNEE ODER TROCKEN |
| GEFROREN --------- |
| FEHLER GEFROREN NASS |
| NASS NASS ODER SCHNEE NASS |
| SCHNEE NASS ODER SCHNEE TRK3EN ODER SCHNEE |
Mit anderen Worten, die Beurteilungsschaltung 130 hat ein vorgegebenes Muster von
Signalen, wie es in Tabelle 5 gezeigt ist, und beurteilt die betreffenden Straßenzustände
auf der Grundlage der Ausgangssignale der Komparatoren 113, 114 und 123. Es versteht
sich, daß die Kombination der Tabelle 5 nur ein Beispiel ist, und daß andere geeignete
Beurteilungsschemata ebenfalls angelegt werden können. Die Beurteilungsschaltung
130 besteht aus einem Register 141, einem Dekodierer 142, einem ODER-Glied 143 sowie
einem Zeitgeber 144 und hat dabei ähnliche Funktionen wie die Beurteilungsschaltung
der Fig. 2.
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Die Beurteilungsschaltung 130 kann auch ein Mikroprozessor oder zu
einer anderen ähnlichen Schaltung abgewandelt sein.
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Bei der vorliegenden Ausführungsform benützt die Ermittlungseinrichtung
Infrarotstrahlung im Spektralbereich zwischen 1,4 und 2,5 Mikrometer, kann aber
auch monochroma-
tisches Licht bei 1,5 oder 2,5 Mikrometer verwenden,
in welchem Fall man eine bessere Unterscheidung zwischen den Reflexionsvermögen
bei nasser und gefrorener Straße erhält, wodurch eine genauere Unterscheidung einer
nassen von einer gefrorenen Straßenoberfläche erreicht wird.
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Die Ermittlungseinrichtung gemäß vorliegender Ausführungsform stellt
den gefrorenen Straßenzustand in Unterscheidung von einem nassen Straßenzustand
ohne Feststellung der Temperatur der Straßenoberfläche fest, so daß selbst bei Anheben
der Temperatur der Straßenoberfläche durch den Einsatz von Taumitteln auf derselben
der darunterliegende gefrorene Grundstraßenzustand weiterhin als gefroren beurteilt
wird, solangver gefroren bleibt. Die Ermittlungseinrichtung kann nämlich Straßenzustände
unabhängig von der Temperatur der Straßenoberfläche ermitteln.
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Die Sensoren 101 und 102 sind so eingerichtet, daß sie Streulicht
erhalten. Falls gewünscht, kann aber der eine der Sensoren oder können beide Sensoren
in Lagen angeordnet werden, wo sie spiegelreflektiertes Licht erhalten, wenn dann
auch die Kombination in den Tabellen 4 und 5 in gewissem Maße modifiziert werden
muß.
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Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform der Straßenzustandsermittlungseinrichtung
gemäß der Erfindung. Die Einrichtung umfaßt Sensoren, zu denen ein Infrarot-Streulichtsensor
201 für den Empfang von an der Straßenoberfläche gestreuter Infrarotstrahlung, ein
Streulichtsensor für sichtbares Licht 202 für den Empfang von an der Straßenoberfläche
gestreuter sichtbarer Strahlung und ein Spiegellichtsensor für sichtbares Licht
203 für den Empfang von an der Straßenoberfläche regulär, d.h.
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spiegelreflektierter sichtbarer Strahlung sowie ein Strahlungsthermometer
204 zum Abfühlen der Temperatur der Straßenoberfläche gehören. Ein Lichtwerfer 200
projiziert
Infrarotstrahlung bei Wellenlängen zwischen 1,4 und
2,5 Mikrometer, welche durch den Sensor 201 empfangen wird, und außerdem sichtbare
Strahlung bei Wellenlängen zwischen 0,5 und 1,09 Mikrometer, welche durch die Sensoren
202 und 203 empfangen wird. Der Lichtwerfer 200 kann an der gleichen Stelle wie
der in Fig. 1 gezeigte Lichtwerfer 1 angeordnet sein, die Sensoren 201 und 202 können
an der gleichen Stelle sitzen wie der Sensor 21 in Fig. 1 und schließlich kann der
Sensor 203 an der gleichen Stelle wie der Sensor 11 der Fig. 1 angeordnet sein.
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Ferner können das Thermometer 204 und eine Signalverarbeitungseinheit
250 an den gleichen Stellen wie das Thermometer 30 bzw. die Einheit 5 der Fig. 1
angeordnet sein.
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Die Ausgangs signale der Sensoren 201 bis 203 und des Thermometers
204 werden auf Verstärker 205 bis 207 bzw. 208 gegeben. Wie in Fig. 5 gezeigt, werden
die Ausgangssignale dieser Verstärker entsprechend auf Komparatoren 209 bis 213
gegeben. Die Komparatoren 209 bis 213 weisen Referenzsignalpegel, PEGEL 1 bis PEGEL
5 auf, welche auf der Grundlage von statistisch ausgewählten Daten, die den Straßenzuständen
Trocken, Schnee, Nässe und Gefroren (Glatteis) entsprechen, vorher bestimmt werden.
Die Beziehung der Größen der betreffenden Ausgangssignale der Verstärker 205 bis
208 zu den Pegeln PEGEL 1 bis 5, ist in der folgenden Tabelle 6 gezeigt.
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TABELLE 6
| ZUSTAND DCKEN NASS SCHNEE GEFROREN VERGLEICEEERfEBNISSE |
| AUSGXNGS- |
| SIGNAL |
| VhRSTfiRKER 205 TRDCREN, SCHNEE |
| (gestreutes « J~~ ~ ~~ .~~ J----- -PGGEL 1 (KOMPARATOR 209) |
| Infrarot) e ss r SCHNEE, GEFEIREN |
| F' SCHNE |
| VERSTÄRKER 206 |
| (-streutes ~~~ ---pEn, 2 (KOMPAROR 210) |
| (aestreutes ~~~~~ ~~ ~ ~~~ .~ ~ ---PEGEli 2 (KOMPARASOR 210) |
| sichtbares ,------ ----- SCHNEE, 2 TROCKEN 210) |
| Licht) l |
| Licht) ------ ----------- ---PEGEL 3 (KOMPARAIOR 211) |
| NASS, GEFROREN, TI( |
| VERSTÄRKER 207 ,I |
| VERSTSRKER 207 x K NASS, SCHNEE |
| (spiegelreflek- ~~~ ~~ .~~ ~~. ~~. ~~~ ~~~ ~~~. ---PEGEL 4
(KOMiPARAIOR 212) |
| tiertes sicht- t T TROCKEN, NASS, SCHNEE, |
| bares Licht) GEFOREN |
| VERSTÄRKER 208 TROCKEN, NASS, SBEE |
| (Temperatur) ~~~ ~~~ ~~. ~~. ~~~ W ~~ ~~~~ ---PEGEL 5 (KOMPPiRATOR
213) |
| l l r T NASS, TP=EN, NASE, |
| , ' 8 t I a , I ab I GEFPSREN |
Wenn die Größe des Ausgangssignals des Verstärkers 205 größer als der Pegel PEGEL
1 ist, erzeugt der Komparator 209 ein Logiksignal "1", welches darauf hinweist,
daß die Straße trocken oder schneebedeckt ist, während wenn die Größe nicht darüber
liegt, der Komparator ein Logiksignal "0" erzeugt, das darauf hinweist, daß die
Straße naß, schneebedeckt oder gefroren ist. Wenn die Größe des Ausgangssignals
des Verstärkers 206 über PEGEL 2 liegt, erzeugt der Komparator 210 ein Logiksignal
"1", das darauf hinweist, daß die Straße
schneebedeckt ist, während
wenn die Größe nicht darüberliegt, der Komparator ein Logiksignal "0" erzeugt, das
darauf hinweist, daß die Straße trocken, naß, schneebedeckt oder gefroren ist. Wenn
die Größe des Ausgangssignals des Verstärkers 206 über PEGEL 3 liegt, erzeugt der
Komparator 211 ein Logiksignal 1", welches darauf hinweist, daß die Straße schneebedeckt
oder trocken ist, während, wenn die Größe unter PEGEL 3 liegt, der Komparator 211
ein Logiksignal "0" erzeugt, das darauf hinweist, daß die Straße trocken, naß oder
gefroren ist. Wenn die Größe des Ausgangssignals des Verstärkers 207 über PEGEL
4 liegt, erzeugt der Komparator 212 ein Logiksignal "1", das darauf hinweist, daß
die Straße naß oder schneebedeckt ist, während, wenn die Größe nicht darüberliegt,
der Komparator ein Logiksignal "0" erzeugt, das darauf hinweist, daß die Straße
trocken, naß, schneebedeckt oder gefroren ist. Wenn die Größe des Ausgangssignals
des Verstärkers 208 über PEGEL 5 liegt, erzeugt der Komparator 213 ein Logiksignal
"1", das darauf hinweist, daß die Straße trocken, naß oder schneebedeckt ist, während,wenn
die Größe nicht darüberliegt, der Komparator 213 ein Logiksignal "0" erzeugt, das
darauf hinweist, daß die Straße trocken, naß, schneebedeckt oder gefroren ist. Die
Pegel PEGEL 1 bis 5 können gegebenenfalls durch eine (in der Figur nicht gezeigte)
Korrekturschaltung entsprechend der Intensität des durch den Lichtwerfer 200 eingestrahlten
Lichts korrigiert werden.
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Die Ergebnisse der in den Komparatoren 209 bis 213 durchgeführten
Vergleiche werden auf eine Logikschaltung 214 gegeben, welche den Straßenzustand
entsprechend einem in Fig. 6 gezeigten Flußdiagramm beurteilt. Im Schritt 302 fragt
die Schaltung 214 ab, ob das am Komparator 209 erzeugte Logiksignal 1 II ist. Eine
JA-Antwort wird auf Schritt 307 gegeben, in welchem abgefragt wird, ob das am Komparator
210 erzeugte Logiksignal "1" ist. Eine JA-
Antwort im Schritt 307
repräsentiert, daß der Straßenzustand Schnee ist, und wird auf einen Schritt 308
gegeben.
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Eine NEIN-Antwort im Schritt 307 repräsentiert, daß der Straßenzustand
Trocken ist, und wird auf den Schritt 308 gegeben. Eine JA-Antwort im Schritt 302
repräsentiert, daß, wie oben beschrieben, der Straßenzustand Trocken oder Schnee
ist, wobei Schnee weißen Schnee meint.
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Eine NEIN-Antwort im Schritt 302, die auf einen der Zustände Naß,
Schnee und Gefroren hinweist, wird auf einen Schritt 303 gegeben, in welchem abgefragt
wird, ob das Logiksignal am Komparator 210 "1 II ist. Eine JA-Antwort im Schritt
303 bedeutet Schneezustand und wird auf den Schritt 308 gegeben. Eine NEIN-Antwort
aus Schritt 303 weist auf eine der Zustände Schnee, Naß und Gefroren hin, weil davon
auszugehen ist, daß der Zustand Trocken in den Schritten 302 und 307 ermittelt worden
ist, und wird auf Schritt 304 gegeben. Daher repräsentiert eine JA-Antwort im Schritt
304, daß der Straßenzustand Schnee ist, und wird auf Schritt 308 gegeben. Wenn das
am Komparator 211 erzeugte Logiksignal "0" ist, erfolgt im Schritt 304 eine NEIN-Antwort
und wird auf Schritt 305 gegeben. Die NEIN-Antwort aus Schritt 304 bedeutet die
Möglichkeit, daß der Straßenzustand Naß oder Gefroren ist, weil der Zustand Trocken
in den Schritten 302 und 307 ermittelt worden ist. In Schritt 305 wird abgefragt,
ob der Straßenzustand Naß oder Gefroren ist. Da das Logiksignal "1" II am Komparator
212 darauf hinweist, daß der Zustand Naß oder Schnee ist, repräsentiert eine JA-Antwort
aus Schritt 305, daß der Zustand Naß ist. Eine NEIN-Antwortaus:Schritt 305 weist
jedoch immer noch darauf hin, daß der Zustand Naß oder Gefroren ist, und wird auf
Schritt 306 gegeben. Eine JA-Antwort aus Schritt 306 zeigt an, daß der Straßenzustand
Naß, nicht aber Gefroren ist, und wird auf den Schritt 308 gegeben. Andererseits
repräsentiert eine NEIN-Antwort aus
Schritt 306, daß der Zustand
Gefroren ist, und wird auf den Schritt 308 gegeben. Der im Schritt 306 ermittelte
Zustand Gefroren schließt den Zustand ein, daß die Oberfläche der gefrorenen Straße
naß ist.
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Im Schritt 308 werden die betreffenden vier Vergleichsergebnisse
aus den Schritten 302 bis 307 sequentiell in der Reihenfolge Trockenheit, Schnee,
Nässe und Eis beurteilt, wobei die Schaltung 214 schließlich eine abschließende
Beurteilung durchführt, daß die mit den Sensoren abgefühlte Straßenoberfläche einen
der vier Straßenzustände einnimmt.
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Der Komparator 213 hat nur einen einzigen Referenzsignalpegel PEGEL
5, kann aber in einer Weise abgewandelt sein, daß er zwei Referenzsignalpegel, die
den Temperaturen 0° C und -20 C entsprechen, aufweist. Ferner kann das Flußdiagramm
so abgewandelt sein, daß der Zustand Naß, der Zustand Naß und Gefroren oder der
Zustand Gefroren nachgewiesen werden.
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Bei der vorliegenden Ausführungsform werden die einzelnen Straßenzustände
durch die betreffenden Sensoren ermittelt, so daß sich die Ermittlung des jeweiligen
Straßenzustands exakt durchführen läßt. Der Straßenzustand Trocken wird durch den
Sensor 201, basierend auf streureflektiertem Infrarotlicht, ermittelt. Der Straßenzustand
Schnee wird durch den Sensor 202, basierend auf streureflektiertem sichtbaren Licht,
ermittelt. Der Straßenzustand Naß wird durch den Sensor 203, basierend auf spiegelreflektiertem
sichtbaren Licht, ermittelt. Der Straßenzustand Gefroren wird durch den durch das
Thermometer 204 gegebenen Sensor, basierend auf der Straßentemperatur, ermittelt.
Die Straßenzustandsermittlungseinrichtung gemäß vorliegender Ausführungsform kann
daher die Ermittlung exakt und schnell durchführen.
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Aus obiger Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung ist ersichtlich,
daß die straßenzustandsermittlungseinrichtung als wesentliches Element Infrarotstrahlung
für
die Ermittlung der einzelnen Straßenzustände heranzieht, indem
die Tatsache ausgenutzt wird, daß die durch die verschiedenen Zustände gegebenen
Straßenoberflächen unterschiedliches Reflexionsvermögen für Infrarotstrahlung haben,
und daß die Straßenzustandsermittlungseinrichtung eine ausgezeichnete Ermittlung
des Straßenzustands leistet.
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Bei obigen Ausführungsformen wurde die kürzeste Wellenlänge der bei
ihnen verwendeten Infrarotstrahlung als 1,4 Mikrometer beschrieben, was auf experimentellen
Daten unter bestimmten Gegebenheiten beruht, sie kann aber entsprechend den jeweiligen
Gegebenheiten abgewandelt werden, solange nur bei über der kürzesten Wellenlänge
liegenden Wellenlängen das Reflexionsvermögen von Schnee geringer als dasjenige
von trockener Straße ist.
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Die Nachweiseinrichtung gemäß obiger Ausführungsformen kann ferner
dahingehend abgewandelt werden, daß die Einrichtung den Straßenzustand innerhalb
einer bestimmten Zeit beipielsweise 6 Stunden, nachdem ein Taumittel gestreut worden
ist, als Nässe beurteilt, obwohl der Straßenzustand eigentlich der Zustand Gefroren
ist.
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L e e r s e i t e