DE3023444C2 - Einrichtung zur Ermittlung des witterungsbedingten Straßenzustandes - Google Patents

Description

1» a) daß das ausgestrahlte Licht Infrarotlicht mit einer Wellenlänge größer als 1,4 μπι ist,

b) daß zwei Lichtempfänger (11, 21) vorgesehen sind, die so angeordnet sind, daß der erste (11) direkt reflektierte, der zweite (21) gestreute Infrarotstrahlung aufnimmt,

c) daß ein Temperaturfühler (30) vorgesehen Ist, von dem ein drittes Aus?,angssignal der Signalverarbeitungseinheit (5) zugeführt wird.

2. Einrichtung zur Ermittlung des witterungsbedingten Straßenzustands, mit einer Llchlwerfereinrichtung zum Einstrahlen von Infrarotstrahlung enthaltendem Licht auf die Straßenoberfläche, mit wenigstens einer Lichtempfängereinrichtung für den Empfang von von der Straßenoberfläche zurückgeworfenem Licht, welche ein von der empfangenen Lichtmenge abhängiges Ausgangssignal erzeugt, und mit einer Slgnalverarbeltungs-

2" einheit, ^slche dieses Ausgangssignal mit mindestens einem Referenzwert vergleicht und dem Straßenzustand entsprechende Verglelchsausgangssignale abgibt, dadurch gekennzeichnet,

a) daß das ausgestrahlte Licht Infrarotstrahlung mit einer Wellenlänge größer als 1,4 pm und sichtbares Licht enthält,

b) daß zwei Lichtempfänger (101; 102; 201, 202) vorgesehen sind, die so angeordnet sind, daß der erste (101; 201) infrarotes ui.d der zweite (102; 202) sichtbares Streulicht aufnimmt.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein dritter Lichtempfänger (203) für direkt reflektiertes sichtbares Licht und ein Temperaturfühler (204) vorgesehen sind, deren Ausgangssignale eben-

M falls der Signalverarbeitungseinheit (250) zugeleitet werden.

4. Elnricntung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungseinheit (5; 105; 25C) eine "eurteilungsschaltung (40; 130; 214) enthält, in der ein bestimmtes Muster von nach verschiedenen Fcraßenzuständen möglichen Vergleichsausgangssignalen gespeichert Ist und die den Straßenzustand durch Vergieß h der möglichen Verglelchsausgangssignale mit den tatsächlichen ermittelt.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Beurteilungsschaltung als Logikschaltung (214) ausgebildet Ist. die Trockenheit ansprechend auf das Ausgangssignal des Lichtempfängers (201) für Infrarotstreulicht, Schnee ansprechend auf das Ausgangssignal des Lichtempfängers (202) für sichtbares Streulicht, Nässe ansprechend auf das Ausgangssignal des Llchiempfängers (203) für direkt reflektiertes sichtbares Licht und den Frierzustand ansprechend auf das Ausgangsslgnal des Temperaturfühlers (204)

4» bestimmt.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5. dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenlängenbereich der Infrarotstrahlung unterhalb 2.5 um liegt.

7 Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Beurlellungsschallung (40; 130) einen Zeltgeber (14; 144) /um Voreinstellen einer bestimmten Zeitdauer aufweist und auf Feststellung der Konstanz des Verglelchsausgangsslgnals über dnc bestimmte Zeitdauer den Straßenzustand beurteilend eingerichtet Ist

Die Erfindung betrifft Einrichtungen zur Ermittlung des witterungsbedingten Straßenzustands gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw 2

Die Verhütung von Glatteis- oder Schneeunfällen Ist ein wesentlicher Gesichtspunkt von Verkehrsleitsystemen, wozu es erforderlich Ist, den diesbezüglichen Straßenzustand schnell und exakt zu ermitteln.

Eine herkömmliche Einrichtung hierzu Ist so aufgebaut, daß ein Detektor, der Wasser und die Temperatur nachweist, unter der Straßenoberflüche installiert Ist. wobei die Einrichtung den Straßenzustand aufgrund des Ausgangssignals dieses Detektors beurteilt Diese bekannte Einrichtung Ist jedoch Insofern nachteilig, als die Installierung des Detektors und seine Wartung Im Falle von Defekten erhebliche Strabenarbelten erforderlich machen. Ein weiterer Nachteil dieser Einrichtung besteht darin, dall sich Ihr Nachweisfeld auf den engen Bereich des Detektors beschränkt, so daß sich die gewünschte Ermittlung des Straßenzustands nicht Immer exakt durchführen laßt.

Eine weitere herkömmliche Nachwclsclnrlchtung lsi so aufgebaut, daß ein l.lchtwerfcr sichtbare Strahlung auf die /u unlcrsuchcndc .SlruüenohcrflHehe wirft, wobei der StriilJen/usland auf der Grundlage des tin der SlriiUcnobcrllllchc reflektierten Lichts ermittelt wird. Eine solche Einrichtung hut den Niichlell, daß .sie nicht in der Lage

(<<· Ist, eine trockene Steinoberfläche von einer mit Schnee, Erde bzw. Sand und Wasser (Im folgenden als »Schncematsch« bezeichnet) verschmutzen Straße oder einer Straße mit .staubbedecktem Schnccbclag (Im folgenden als »Schwarzschnee« bezeichnet) zu unterscheiden, well das Reflexionsvermögen von Schnccmat.sch oder Schwarzschnee dem trockener Straße ähnlich Ist. Wenn die mit dieser Einrichtung zu untersuchende

.Straßenoberfläche so mil Staub oder Sand belegt lsi, daß sie wclli wirkt, kann es Fülle geben. In denen die Straße fälschlicherweise als schneebedeckt beurteilt wird. Hlne exakte Ermittlung des Straßenzustands läßt sich mit dieser Hinrichtung kaum erwarten.

Eine aus der DE-AS 27 12 199 bekannte Einrichtung der eingangs genannten Art arbeitet mit Wellenlängen im Bereich der Absorptionsbanden von Eis oder Wasser und baut darauf, aus einer Änderung der Intensität des vom Lichtempfänger empfangenen Lichts beim Überfrieren der nassen Fahrbahn auf Glatteisbildung schließen zu können.

Demgegenüber soll der Erfindung die Aufgabe zugrunde liegen, eine Einrichtung zu schaffen, die zwischen den witterungsbedingten Straßenzuständen schneebedeckt, gefroren (Glatteis), trocken und naß exakt unterscheiden kann.

Dljse Aufgabe wird erfinaungsgemäß gelöst durch eine Einrichtung wie sie in Anspruch 1 bzw. 2 gekennzeichnet 1st.

Für Wellenlängen übor 1,4 μπι ist das Reflexionsvermögen von Schnee (selbst unverschmutztem) geringer als dasjenige von trockener Straße. Dies macht bei der Einrichtung gemäß Patentanspruch 1 in Verbindung mit einer gleichzeitigen Messung der Temperatur sowie des an der Straßenoberfläche streureflektierten und direkt reflektierten Lichtes eine eindeutige Zuordnung /wischen Meßwerten und den oben genannten witterungsbedlngien Straßenzuständen möglich. Bei der Einrichtung gemäß Patentanspruch 2 gilt das gleiche, nur daß sich bei ihr eine Temperaturmessung Im Prinzip erübrigt.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der F.rfindung in Verbindung mu der beigefügten Zeichnung beschrieben. Auf dieser Ist

FIg. 1 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der Straßenzustandsermittlungselnrlchtung gemäß der Erfindung,

F'ig. 2 ein Blockschallbild der Ermltilungselnrlchtung der Flg. 1,

Flg. 3 eine der Erläuterung der Erfindung dienende Kurvendarstellung des theoretischen spektralen Reflek- ^2<; tionsvermögens von schneeiger, gefrorener und trockener Straßenoberflüche,

Flg. 4 ein schematlsches Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform der Straßenzustandsermittlungseinrichtung gemäß der Erfindung,

Flg. 5 ein schematisches Blockschaltbild einer wiederum weiteren Ausführungsform der Straßenzustandsermittlungseinrichtung gemäß der Erfindung, und Fig. 6 ein Flußdiagramm zur Veranschaulichung der Arbeitswelse der Ermittlungseinrichtung der Fig. 5.

Fig. 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Straßenzustanusermiulungselnrichtung gemäß der Erfindung. Die Straßenzustandsermittlungseinrichtung umfaßt einen Llchiwerfer 1, der Infrarotstrahlung auf die zu untersuchende Straßenoberfläche 4 wirft, einen Splegelllchtsensor bzw. Lichtempfänger 11 für an der Straßenoberfläche 4 gerichtet reflektierte infrarotstrahlung, einen Streullchlsensor bzw. Lichtempfänger 21 für gestreute -¹⁵ Infrarotstrahlung, 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 30 gekoppelte Slgnalverarbeltungselnhelt 5. Die Slgnalverarbellungselnheit 5 1st außerdem mit einem (in der Zeichnung nicht dargestellten) Verkehrsleitsystem eines Verkehrssicherheitssystems verbunden.

An einem am Rand der Straßenoberfläche 4 stehenden M- si 2 Ist ein Trägerarm 3 befestigt. Der Lichtwerfer 1 ist am Arm 3 so befestigt, daß er Licht unter konstantem Einfallswinkel auf einen Nachweisbereich der Straßenoberfläche 4 wirft. Der Einfallswinkel muß nicht besonders gewählt sein, da er die Nachwelschnrakieristlk der Einrichtung nicht beeinflußt Der I lchtwcrfer 1 enthält eine 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 /wischen 1.2 und 2,5 Mikrometer handeln. Vor der Lampe Ist im Lichtv/erfer 1 ein Infrarotfilter vorgesehen, das Infrarotstrahlung mit einer Wellenlänge von mehr als 1,4 Mikrometer durchläßt. Das einen solchen Infrarotanteil 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.

Der Splegelllchtsensor 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 Sl.cullchtsensor 21 Ist an. Arm 3 an einer anderen Stelle als der Sensor 11 so befestigt, daß er an der Siraßenoberfiäche 4 streureflektlertes Licht ^5S erhält Die Sensoren 11 und 21 enthalten photoelektrische Wandlerelemcnte 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 Bleiselenld (PbSe) aufgebaut sein. Die Sensoren 11 und 21 erzeugen also Ausgangssignale, welche die Strahlungsenergien im spiegel- und streureflektierten ^δ0 Licht wiedergeben.

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 Wechselspannungsquclle IÜ 1st mit dem Lichtwerfer 1 verbunden.. Von der Spannungsqueile 10 erzeugte Slnussignale einer Frequenz von 60 11/ werden auf die Multiplizierer 13 und 23 gegeben. Durch das Sinussignal der Spannungs- ^⁵ quelle 10 wird auch i/Cr l.ichlwcrfcr 1 erregt. Die Ausgangsslgnalc 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 Mulilnllzlerer 13 unc¹ 23 /lchen 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 Glelchspannungsslgnalen demo- : dullert Die Ausgangssignale der Multiplizierer 13 und 23 enthalten das Glelchspannungsslgnal, ein Wechselspannungssignal von !20Hz und Rauschen. Die Ausgangssignale werden auf die Tiefpaßfilter 14 und 24 _;

s gegeben, welche die 120 Hz Wechselspannungssignale und das Rauschen abblocken, aber die Glelchspannungs- |

signale durchlassen. Die Ausgangssignale der Filter 14 und 24 enthalten Information, die den Zustand der jj

Straßenoberfläche 4 betrifft, und werden auf die Komparatoren 15, 16 und 25 gegeben. f,

FIg 3 zeigt die theoretischen Kurven 31, 32 und 33 für das spektrale Reflexionsvermögen einer Straßenobcr- Sä

fläche mit weißem Schncebelag, mit Eisbelag und In trockenem Zustand. Das In Flg. 3 angegebene Reflexions- ^ä

in vermögen meint jeweils das Reflexionsvermögen bezogen auf Bariumsulfat. Das Reflexionsvermögen einer mil k

einem weißen Schncebelag versehenen Slraßcnobcrflächc, wie es durch Kurve 31 In I⁷Ig. 3 wiedergegeben wird, i Ist hoch Im Bereich sichtbarer Wellenlängen, nimmt In der Nühc des Infrurotbcrclchs allmählich ab und fällt In der Gegend von 1,4 Mikrometer scharf ab. Mit der Alterung des Schnees geht die Rcflcxlonskurvc 31 Insgesamt etwas nach unten. Die Kurve 33 ändert sich ebenfalls mit den Bedingungen.

Die experimentellen Werte für die Ausgangsslgnale der Filter 14 und 24 sind In der folgenden Tabelle 1 mit *

Bezug auf trockene Beton- (oder Asphalt-)Oberfläche (TROCKEN), nasse Beton- (oder Asphalt-JOberriäche |

(NASS) und schneebedeckte Beton- (oder Asphalt-)Oberfläche (SCHNEE) wiedergegeben. Der Zustand I

SfHNFF lsi wpllpr i.inlPrtpllt In clip drp! 7ι.ιςΐ3ηΗρ WFISSFR SfHNFF. SfHNFFMATSfH und SCHWARZ- i.

SCHNEE. Die In der Tabelle 1 enthaltenen Werte sind typische Werte im Wcllcnlängenberclch zwischen 1,4 ij

>n und 2.5 Mikrometer ϊ

Tabelle 1 *

Zustand

Ausgangs signal	Spiegelreflexion (Filter 14)	Streureflexion (Filter 24)
	200	340
	800	140
	100	200
	80	100
	100	160

trocken

Vi ^naL>

weißer Schnee

Schnee Schneematsch

Schwarzschnee

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 Hegt, daß Schnee Infrarotstrahlung absorbiert. Bei nassem Straßenzustand wird Infrarotstrahlung durch Wasser absorbiert, andererseits spiegelt die

4(i nasse Straße, so daß das Splegclreflcxlonsvcrmögcn erhöht Ist, während das Strcurcflcxlonsvcrmögcn herabgesetzt Ist Bei trockenem Straßenzustand, bei dem die Straßenoberfläche diffus bzw. rauh lsi, liegt das Spicgclreflexionsvermögen zwischen dem Reflexionsvermögen für nassen und demjenigen für Schnee-Straßenzustand, während das Streureflexionsvermögen über denjenigen für nassen und Schnee-Straßenzustand liegt. 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 Ausgangssigralwerten des Filters 14 für nasse und trockene Straße Hegt. Im Komparator 25 ist ebenfalls Intern ein Referen7signalpegel. Pegel B (beispielsweise 250 mV), so gesetzt, daß er zwischen den Ausgangsslgnalwerten des Filters 24 für trockene und nasse oder schneebedeckte Straße liegt. Im Hinblick auf Tabelle I sind die einzelnen

5i> Komparatoreri 15. 16 und 25 so eingerichtet, daß sie je nach Ausgangsslgnalwerten der Filter 14 und 24 LOgiksignale »I« oder »0« erzeugen, wie sie In der folgenden Tabelle 2 gezeigt sind.

Spieg,elrcflexioii (Aii.sgangssignale des Fillers 14)	Ausgangssigniil Komparator 15	Ausgiingssignal Komparator 16	Slreurellexion (Ausgangssignale des !''alters 24)	naß	Ausgiingssignal Komparator 25	0
Zustand	1 (-ΆΙ)	0 (>A2)	Zustand	oder	I r· im	(SB)
na«	I)n..,,! AT		trocken	Schnee	,,ml \i
			\y ρ.
	1	1
	(£A1)	(<A2)
trocken
	PpopI Δ 1 - -
_ _ N/ __
	0	1
Schnee	(SAl)	(<A2)

Al - 150 mV Λ2 = 500 mV U « 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 Komparator 25 bedeutet trockenen Straßenzustand, das Logiksignal »0« dieses Komparator nassen oder Schnee-Straßenzustand. Die von den Komparaloren 15, 16 und 25 crzcugicn und In Tabelle 2 wiedergegebenen Logiksignale werden auf die Deuriellungssehaltung 40 gegeben. Das .Sirahlung.sihcrmomclcr 30 Ist am Mast 2 so befestigt, daß es die Temperatur des durch den I.lehtworl'cr 1 bestrahlten Nachwclsbcrelch.s der Straßcnoberllilchc 4 mißt, wobei ein vom Thermometer er/eugtus, die festgestellte Temperatur ergebendes Signal ebenfalls auf die Beurtcllungsschallung 40 gegeben wird. Die Bcurtellungsschallung 40 enthalt eine Logikschaltung, welche eine abschließende Beurteilung des Zuslands der Slraßenoberllachc 4 abgibt, die auf der Beurteilung auf der Basis der Logiksignale bzw. Verglelchsausgangssignale der Komparatoren 15 und 16 für spiegel reflektiertes Licht, der Beurteilung auf der Basis der Logiksignale des Komparators 25 für s'.reureflektlerles Licht sowte dem Signal des Thermometers 30 für die festgestellte Temperatur beruht !o 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.

Tabelle 3

Abschließende Beurteilung	Beurteilung basierend auf Spiegelreflexion	Beurteilung basierend auf Streureflexion	Beurteilung basierend auf Temperatur
trocken	trocken	trocken	keine
naß	naß	naß oder Schnee	naß f> - 3° C)
gefroren	na«	naß oder Schnee	gefroren (S - 3° C)
	trocken	naß oder Schnee
Schnee	Schnee	trocken	keine
	Schnee	naß oder trocken

Die Kombination der Tabelle 3 kann durch Änderung der Referenzpegel Al, 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 Zeitgeber 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 Liehtwerfer 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 kurzer 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 unverän-

ίο

20

25

30

35

40

45

50

dert bleibt, werden die Ausgangsslgnalc der Komparatoren zur nachfolgenden Aufgabe auf den Dckodlerer 42 Ini Reglsier 41 zwlschcngcspclcherl. Der Dckodlerer 42, das ODER-Glied 43, die UND-Glieder 46 und 48 und das NlCI IT-Glied 47 verarbeiten die Ausgangsslgnalc des Registers 41 entsprechend der In Tabelle 3 wlcilcrgegebcncn Loglklabcllc und erzeugen Bcurlcllung.sslgnalc, die anzeigen, daß der Zustand der SlnilJcnohcrlliU-hu 4 gefroren, naß, schneeig oder trocken lsi.

HeI der vorliegenden Ausfuhrungsforni verwendet die Straßcnzu.sland.scrmltllung.sclnrlchtung Infrarotstrahlung Im Wc'.lcnlängcnberclch 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 Straßenzustsndscrmlttlungsclnrlchtung kann gegebenenfalls durch Weglassen des Thermometers 30 abgewandelt sein. Es versteht sich, daß die Straßenzustandsermittlungseinrichtung dann zwar In der Lage Ist, Trockenheit, Nüsse oder Schnee festzustellen, nicht aber, ob die Nässe Nüsse Im eigentlichen Sinne oder gefrorene Nässe (Zustand Gefroren bzw. Glatteis) Ist.

Flg. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Straßenzustandsermittlungseinrichtung gemäß der Erfindung, die eine Abwandlung der In Flg. 2 gezeigten Einrichtung Ist. Die Ermittlungseinrichtung der Flg. 4 benützt Licht bei sichtbaren und Infrarotwellenlängen, wodurch eine gefrorene Straßenoberfläche ohne Verwendung eines Thermometers nachgewiesen werden kann, und umfaßt einen Lichtwerfer 103, einen Infrarotreflexlonssensor bzw. Lichtempfänger 101 für Infrarotes Streulicht, einen Reflexionssensor bzw. Lichtempfängei !02 für sichtbares Streulicht. Verstärker lllund 121. Tiefpaßfilter 112 und 122, Komporatoren 113, 114 und 123 sowie eine Beurteilungsschaltung 130. Der Lichtwerfer 103 kann an der Stelle des Thermometers 30 der Flg. 1 so angeordnet sein, daß er Licht mit sichtbaren und Infrarotwellenlängen auf ein mit der Einrichtung zu untersuchendes Nachwelsfeld der Straßenoberfläche wirft. Der lnfrarotreflexlonssensor 101 und der Reflexlonssensor für sichtbares Licht 102 können etwa In der Lage von Lichtwerfer 1 oder Sensor 21 aus Flg. 1 so angeordnet sein, daß sie an der Straßenoberfläche streureflektlerte Infrarot- und sichtbare Strahlung empfangen. Der Lichtwerfer 103 enthält eine Lichtquelle, welche Strahlung Im Sichtbaren und Infraroten (1,4 bis 2,5 Mikrometer) erzeugt und kann eine Quecksilberdampflampe sein. Der Infrarotreflexlonsscnsor 101 kann den gleichen Aufbau haben wie Sensor Il oder 21 aus I-'lg. 1 und weist strcurcflcktlertc Infrarotstrahlung bei Wellenlängen zwischen 1,4 und 2,5 Mikrometer nach. Der Reflexlonsscnsor für sichtbares Licht 102 enthält eine Photodiode und ein Im Sichtbaren durchlässiges Filter, so daß er nur streurcflcktlertcs slchlbarcs Licht nachweist. 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 Fremdslörungen gefiltert und als Gleichspannungssignale auf die Komparatoren 113, 114 und 123 gegeben. Falls gewünscht, können das Licht des Llchiwerfers 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 Flg. 2 vorgesehen Ist.

Wie in Flg. 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.

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.

Tabelle 4

Infrarot-Reflexionssignal (Ausgangssignal des Filters 112)

Straßenzustand Signalpcgcl Ausgangssignal Ausgangssignal

Komparator 113 Komparator 114

trocken

550

I OCl)

Sichtbares Reflexionssignal
(Ausgangssignal des Riters 122)

Straßenzustand Signalpegcl

weißer Schnee 750

Ausgangssignal Kompanitor 123

₅₅ gefroren

50 Schnee

oder naß

• - Pegel C2

330 1 OCI) ■ - Pegel Cl

1 K C2)

trocken 2,0 O D . - - \/ Pegel D

naß 80 0

(SD)

80

0 (SCl)

1 (<C2)

65

Pegel: CI = 200 mV. C2 = 400 mV. D = 150 mV

Die oben angegebenen Ausgangssignalwerte der Filter 112 und 122 sind die mittleren Ausgangssignalwerte der FilUT, gemessen über den Spektralbcrclch von Infrarot-Reflcxlonslicht zwischen 1,4 und 2,5 Mikrometer Der Komparator 113 hat einen Rclcrcnzslgnalpegcl Pegel Cl, so daß, wenn der Straßenzustand trocken oder gel'm-

rcn 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 1st, der Komparator 123 das Logiksignal »1« erzeugt. Durch Vergleich des Ausgangssignals des Filters 112 und desjenigen des Filters 122 mit den Referenzsignalpegels Pegeln Cl, Pegel 5 Cl und Pegel D erzeugen die betreffenden Komparatoren 113, 114 und 123 als Logiksignale »1« oder »0«, die den betreffenden Straßenzuständen entsprechen, wie dies In Tabelle 4 gezeigt Ist.

In Tabelle 4 Ist das Infrarot-Reflexionsvermögen von Schnee oder Wasser verhältnismäßig niedrig, well die Infrarotstrahlung durch Wasserkomponenten absorbiert wird. Schnee In der Spalte Infrarot-Reflexlonsslgnal der Ί Tabelle 4 schließt Schneematsch- und Schwarzschnee-Bedingungen ein. Gefrorene Straßenoberfläche hat ein Reflexionsvermögen, das über demjenigen von schneebedeckter oder nasser Straße liegt, well die Infrarotstrahlung durch [ils nicht nhsorblcrt wird. Bei trockener Straße erzeugt das Filter 112 das höchste Ausgangsslgnal, well eine trockene .SlralJenobcrflilche dnc /erstreute h/w rauhe Oberfläche hat. Bei weißem Schnee erzeugt das !•'liter 122 das nödisic Ausgangsslgnal. well das Reflexionsvermögen hei sichtbaren Wellenlängen nahe/u 100% betrügt. Welder .Schnee In der Spalte sichtbares Rcl'lexlnnsslgnal der Tabelle 4 schließt Schncemalsch- oder '^s Schwarz-schnee-Bcdlngungen nicht ein. Das Ausgangsslgnal des llllcr.s 122 hat den niedrigsten Wert bei nasser Slraf.lt:, well nasse Straße eine Spiegelfläche hat und die Strcureflcxlon vermindert Ist, obwohl die Splegelrcflexicr. erhöht ist Sei trockenem Straßenzustand hat die Straße dnc diffuse bzw. rauhe OberRüchs mit niedrigem Reflexionsvermögen, das demjenigen von Schneematsch oder Schwarzschnee Im Sichtbaren ähnlich Ist.

Aus Tabe^e 4 ist ersichtlich, daß, wenn die Kombinationsdaten der Ausgangssignale der Komparatoren 113 und 114 (nämlich Ausgangsslgnal des Komparators 113, Ausgangssignai des Komparalors 114) (1,0) sind, diese Kombinationsdaten den Straßenzustand trocken anzeigen. Wenn die Kombination (1,1) ist, zeigt dies den Straßenzustand gefroren (Glatteis) an. Die Kombination ίΟ,Ι) zeigt den Straßenzustand Schnee oder Nässe an.

Die Bcurtellungsschaltung 130 erzeugt ein Ausgangsslgnal, daß den Straßenzustand Schnee, Gefroren, Nässe oder Trockenheit, basierend auf den Ergebnissen des Vergleichs in den Komparatoren 113, 114 und 123, ^2S repräsentiert. Das heißt, die Schaltung 130 beurteilt den Straßenzustand auf der Grundlage der Ausgangssignale der Komparatoren 1Ϊ3 und Ϊ14, die sich auf Infrarotstrahlung beziehen. Ferner beurteilt die Schaltung 130 den Straßenzustand auf der Grundlage der Ausgangssignale des Komparators 123, die sich auf sichtbare Strahlung geziehen. Dann beurteilt die Beurteilungsschaltung 130 schließlich den Straßenzustand auf der Grundlage der beiden sich auf Infrarotstrahlung und auf sichtbare Strahlung beziehenden Beurteilungen, wie dies in Tabelle 5 gezeigt Ist.

Tabeiie S

Abschließende Beurteilung Beurteilung basierend Beurteilung basierend ^ts

aul Inlrarolrellexion aul sichtbarer Reflexion

trocken Schnee c ler trocken

trocken

j Fehler trocken naß

gefroren Schnee oder trocken gefroren

j Fehler gefroren naß

naß naß oder Schnee naß

Schnee naß oder Schnee trocken oder Schnee

Mit anderen Worten, die Beurtellungsschaltung 130 hat ein vorgegebenes Muster von Signalen, wie es In Tabelle 5 gezelg'i Ist. und beurteilt die betreffenden Straßenzustände auf der Grundlage der Ausgangssignale der Komparatoren 113, 1Ϊ4 und 123. Es versteht sich, daß die Kombination der Tabelle 5 nur ein Beispiel Ist, und daß andere geeignete Beuriellungsschcmata ebenfalls angelegt werden können. Die Beurtcilungsschaliung 130 besteht aus einem Register 14!, einem Dekodierer 142, einem ODIR-Gllcd !43 sowie einem Zeltgeher 144 " und hai dabei Ähnliche lunktUmen wie die Beurlellungssehallung der I-'lg. 1. Die Bcurtellungsschallung '30 kann auch ein Mikroprozessor oder zu einer anderen ilhnllehen Schaltung abgewandelt sein

Bei der vorliegenden Auslührungslorm benützt die lirmllllungselnrlchtung Infrarotstrahlung Im Speklralberelch zwischen 1,4 und 2,5 Mikrometer, kann aber auch monochromatisches Licht bei 1,5 oder 2,5 Mikrometer verwenden. In welchem FaII man eine bessere Unterscheidung zwischen den Reflexionsvermögen bei nasser und ⁶" gefrorener Straße erhält, wodurch eine genauere Unterscheidung einer nassen von einer gefrorenen Straßenoberfläche erreicht wird.

Die Ermittlungseinrichtung gemäß vorliegender Ausführungsform stellt den gefrorenen Straßenzustand in Unterscheidung von einem nassen Straßenzustand ohne Feststellung der Temperatur der Straßenoberfläche fest, so djß selbst bei Anhebung der Temperatur der Straßenoberfläche durch den Einsatz von Taumitteln auf derselben der darunterliegende geforene Grundstraßenzustand weiterhin als gefroren beurteilt wird, solange er gefroren bleibt. Die Ermittlungseinrichtung kann nämlich Straßenzustände unabhängig von der Temperatur der Straßenoberfläche ermitteln.

Die Sensoren 101 und 102 sind so eingerichtet, daß sie Streulicht erhalten. Falls gewünscht, kann aber der e'ne der Sensoren oder können beide Sensoren in I .agc η angeordnet werden, wo sie spiegclrefiektiertes Licht erhalten, wenn dann auch die Kombination in den Tabellen 4 und 5 In gewissem Maße modifizier! werden muß.

^ς Flg. 5 zeigt eine weitere Ausführungslorm der Straßcnzusiandscrmiltlungsclnrichtung gemäß der Hrflndung. Die Einrichtung umfaßt Sensoren, zu denen ein lnfnirol-Slreullchtsensor bzw. Llchtempfüngcr 201 TQr an der Straßenoberfläche gestreute Infrarotstrahlung, ein Streullchtsensor bzw. Llchtempfänger 202 füt an der Straßenoberfläche gestreutes sichtbares Licht und ein Splegellichtsensor bzw. Lichtempfänger 203 für an der Straßenoberfläche direkt reflektiertes sichtbares Licht sowie ein Stnihlungsthermometer 204 zum Abfühlen der Tempe-

n· ratur 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 F i g. 1 gezeigte Lichtwerfer 1 angeordnet sein, die Sensoren 201 und 202 können an der gleichen Steile sitzen wie der Sensor 21 in Fig. 1, und schließlich kann der Senso. 203 an der gleichen Stelle wie der Sensor 11 der Fig. 1 angeordnet sein. Ferner können das Thermometer 204 und eine Signalverarbeitungseinheit 250 an den gleichen Stellen wie das Thermometer 30 bzw. die Einheit 5 der F i g. 1 angeordnet sein.

Die Ausgangssignale der Sensoren 201 bis 203 und des Thermometers 204 werden auf Verstärker 205 bis 207 !■;/.». 20o gegeben. Wie in Fig. 5 gezeigt, warden die Ausgangssignslc dieser Verstärker entsprechend suf

-° Komparator^ 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, lsi In der folgenden Tabelle 6 ge/clgi.

Tabelle fr

Zustand trocken nuß Schnee gefroren Vcrgleichsergcbnissc

Ausgangssignal

Verstarker 205 J ΐ trocken. Schnee

(gestreutes Infrarot) T 1 ^Pe8^el ' (Komparator 209)

Il I naß. Schnee, gefroren

Sch

Verstärker 206 t T

(gestreutes sichtbares Licht) 1 f ^PeS^{el 2} (Komparator 210)

j Schnee, trocken

\ -j τ 1 Pegel 3 (Komparator 211)

n, trocken

I Verstärker 207

(spiegelre flektiertes sichtbares Licht)

naß. Schnee

Pegel 4 (Komparator 212)

trocken, naß. Schnee, gefroren

. , ,„„ τ TT irnckcn, n.iß. Schnee

Verstärker 2OS ' '

(lemperatur)

Pegel S (Komparator 213)

trocken, naß. Schnee, gefroren

Wenn die Größe des Ausgangsslgnals des Verstärkers 205 größer als der Pegel Pegel I lsi, erzeugt der Komparator 209 ein Logiksignal »1«, welches darauf hinweist, daß die Straße trocken oder schneebedeckt ist, während wenn die Größe nicht darüber llegl, der Komparator ein Logiksignal »0« erzeugt, das darauf hinweist, daß die Straße naß, schneebedeckt oder gefroren Ist. Wenn die Größe des Ausgangsslgnals des Verstärkers 206 über Pegel 2 liegt, erzeugt der Komparator 210 ein Logiksignal »I«, das darauf hinweist, daß die Straße schneebedeckt ist. während wenn die Größe nicht darüberllegt der Komparator ein Logiksignal »0« erzeugt, das darauf hinweist, daß die Straße trocken, naß, schneebedeckt oder gefroren lsi. Wenn die Größe des Ausgangsslgnals des Verstärkers 206 über Pegel 3 llegl, 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 hineist, 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 Ausgangsslgnals des Verstärkers 208 über Pegel 5 llegl, erzeugt der Komparator 213 ein Logiksignal »I«, das darauf hinweist, daß die Straße trocken, naß oder schnee- j bedeckt Ist. während, wenn die Größe nlchl darühcrllcgl. der Komparator 213 ein l.oglk.slgrial »0« erzeugt, das \ daraul hinwclsi, daß die Straße trocken, naß, schneebedeckt oder gefroren lsi. I)Ic l'cgel Pegel I bis *> können gegebenenfalls durch eine (In der l-'lgur nlchl gezeigte) Korrekturschaltung entsprechend der Inleii.sllill lies

durch ilen I.lchiwcrlcr 200 eingestrahlten l.lchls korrigiert werden.

Die Ergebnisse der In den Komparatoren 209 bis 213 durchgeführten Vergleiche werden auf eine Logikschaltung 214 gegeben, weiche den Straßenzustand entsprechend einem in Flg. 6 gezeigten Flußdlagramm beurteilt. Im Schritt 302 fragt die Schaltung 214 ab, ob das am Komparator 209 erzeugte Logiksignal »1« 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. Eine Neln-Antowrt 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 1st, wobei Schnee weißen Schnee meint.

Eine Nein-Antwort im Schritt 302, die auf einen der Zustände Naß, Schnee und Gefroren hinweist, wird auf Ό einen Schritt 303 gegeben, in welchem abgefragt wird, ob das Logiksignal am Komparator 210 »1« ist. Eine Ja-Antwort im Schritt 303 bedeutet Schneezustand und wird auf den Schritt 308 gegeben. Eine Nein-Antwort aus Schritt 303 weist auf einen der Zustände Schnee, NaIi und Gefroren hin, well 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 305 ^ege- 'S ben. Wenn das am Komparator 211 erzeugte Logiksignal »0« Ist, erfulgt 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, well der Zustand Trocken In den Schrillen 302 und 307 ermittelt worden Ist. In Schritt 305 wird abgefragt, oh der Straßenzustand Naß oder Uelrorcn Ist. Da das Logiksignal »i« am Komparator 212 darauf hinweist, daß der Zustand Naß oder Schnee lsi, repräsentiert eine Ja-Antwort aus Schritt 305, ²" daß der Zustand N.ili Lsi Iilne Neln-Anlworl aus Schrill 305 weist jedoch Immer noch darauf hin, daß der Zustand NaIi oder Gefroren lsi, 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.

Im Schritt 308 werden die betreffenden vier Vergleichsergebnisse aus den Schritten 302 bis 307 sequentiell in üst 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.

Der Komparator 213 hat nur einen einzigen Referenzsignalpegel Pegel 5, kann aber in einer Weise abgewandelt sein, daß er zwei Referenzsignalpegel, die den Temperaturen O⁰C und -2° 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.

Bei der vorliegenden Ausführungsform werden die einzelnen Straßenzustände durch die betreffenden Senso- ·^1ί! ren ermittelt, so daß sich die Ermittlung des jeweiligen Straßenzustands exakt durchführen läßt. Der Straßenzustand Trinken wird durch den Sensor 201, basierend auf slreureriekilcnem Infrarotlicht, ermittelt. Der Straßenzustand Schnee wird durch den Sensor 202, basierend auf streureflektlertem sichtbarem Licht, ermittelt. Der Straßenzustand Naß wird durch den Sensor 203, basierend auf splegelreflektlertem sichtbarem Licht, ermittelt. Der Straßenzustand Gefroren wird durch den durch das Thermometer 204 gegebenen Sensor, basierend auf der SlraUcntcmperatur. ermittelt. Die Straßonzu.slandsermltllungsclnrlchlung gemilß vorliegender Ausführungsform kann daher die l.rmUtlung exakt und schnell durchführen.

Aus obiger Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung lsi ersichtlich, da(i 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.

Bei obigen Ausfuhrungsformen 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

Die Nachweiseinrichtung gemäß obiger Ausführungsformen kann ferner dahingehend abgewandelt werden, daß die Einrichtung den Straßenzustand Innerhalb einer bestimmten Zelt, beispielsweise 6 Stunden, nachdem ein Taumittel gestreut worden Ist. als Nässe beurteilt, obwohl der Straßenzustand eigentlich der Zustand Gefro- ⁵^ rcn Ist

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Ermittlung des witterungsbedingten Straßenzustands, mit einer Lichtwerfereinrichtung zum Einstrahlen von Infrarotstrahlung enthaltendem Licht auf die Straßenoberfläche, mit wenigstens einer Lichtempfängereinrichtung für den Empfang von von der Straßenoberfläche zurückgeworfenem Licht, welche

ein von der empfangenen Lichtmenge abhängiges Ausgangssignal erzeugt, und mit einer Signalverarbeitungs einheit, weiche dieses Ausgangssignal mit mindestens einem Referenzwert vergleicht und dem Straßenzustand entsprechende Verglelchsausgangssignale abelbt, dadurch gekennzeichnet,