DE3806849A1 - Abstandsmesssystem zur beruehrungslosen abstandsmessung - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Abstandsmeßsystem zur berührungs­ losen Abstandsmessung zwischen zwei Objekten, insbesondere zwischen zwei Kraftfahrzeugen.

Es sind Abstandsmeßsysteme zur berührungslosen Abstandsmes­ sung allgemein bekannt, die die Laufzeit von Ultraschall-Sig­ nalen zur Messung verwenden. Dazu sind am Meßgerät bzw. am er­ sten Objekt ein Ultraschall-Sender und ein Ultraschall-Empfän­ ger angebracht. Der Ultraschall-Sender gibt für die Messung ein kurzes Ultraschall-Signal in Richtung auf das zweite Ob­ jekt, dessen Abstand vom ersten Objekt oder von einem Stand­ ort aus gemessen werden soll, ab. Am zweiten Objekt wird das Ultraschall-Signal reflektiert und mit dem Ultraschall-Empfän­ ger wieder empfangen. Die Laufzeit des Echosignals über die zweifache Abstandslänge wird üblicherweise über eine Zählan­ ordnung gemessen, wobei beim Aussenden des Ultraschallsignals die Zählanordnung gestartet wird. Während der Laufzeit werden von einem Taktgeber Impulse in den Zähler eingezählt und der Zählvorgang beim Empfang des reflektierten Ultraschall-Sig­ nals durch den Ultraschall-Empfänger gestoppt. In einer nach­ geschalteten Auswerteeinheit, die üblicherweise einen Mikro­ prozessor enthält, wird nach jeder Messung der Zählerstand bzw. die ermittelte Laufzeit in ein Längenmaß für die Ab­ standsstrecke umgerechnet und angezeigt oder für eine weitere Verarbeitung zur Verfügung gestellt. Der Abstand ergibt sich zu

wobei s die Abstandsstrecke, v die Schallgeschwindigkeit, t die Laufzeit des Ultraschall-Signals und T die Lufttemperatur in °Celsius bedeuten.

Die bekannten Meßsysteme führen zu guten Ergebnissen, wenn die Abstandsmessung an ortsfesten Objekten oder nur wenig schnell bewegten Objekten durchgeführt wird.

Es ist beabsichtigt, in Zukunft zur Unterstützung der Fahrer­ wahrnehmung im Straßenverkehr, Abstandsmeßsysteme in Fahrzeu­ ge einzubauen, die Hindernisse, insbesondere andere Fahrzeuge im näheren Umfeld des Kraftfahrzeugs, registrieren und dem Fahrer zur Anzeige bringen oder direkt in den Betrieb des Fahrzeugs eingreifen. Eine Anwendungsmöglichkeit solcher Ge­ räte stellt beispielsweise die Längsregelung von Kraftfahrzeu­ gen, wie Kolonnenfahren mit definiertem Abstand, gleichzeiti­ ges Anfahren vor Ampeln, Auffahrschutz, etc., dar. Es ist er­ sichtlich, daß solche Abstandsmeßsysteme ein hohes Maß an Ge­ nauigkeit und Sicherheit erfordern, besonders bei automati­ schen regelungstechnischen Eingriffen in die Fahrzeuggeschwin­ digkeit.

Die bekannten Meßsysteme nach dem Echoprinzip entsprechen die­ sen hohen Anforderungen weder in der Reichweite noch in der Meßfrequenz und Störsicherheit. Insbesondere treten Schwierig­ keiten bei der Unterscheidung entgegenkommender Fahrzeuge auf Parallelspuren auf, da diese zu Fehlmeldungen führen können. Wegen der Lauflänge des Ultraschall-Signals über die doppelte Entfernung (Echo) ist der Intensitätsverlust zwischen gesende­ tem und empfangenen Signal relativ groß, wodurch die Reichwei­ te bei gegebener Sendeleistung eingeschränkt wird.

Für eine eindeutige Messung ist es erforderlich, daß zwischen zwei Sendeimpulsen bzw. zwischen zwei hintereinanderfolgenden Messungen alle meßbaren Echosignale zurückkehren. Wegen der relativ geringen Schallgeschwindigkeit und der doppelten Ab­ standsstrecke für den Lauf des Ultraschall-Signals wegen des Echoprinzips ist eine verhältnismäßig große Wiederholzeit zwi­ schen den Sendeimpulsen erforderlich. Dies ist für den Ein­ satz in einem Fahrzeug ungünstig, da es hier wegen schneller Bewegungsvorgänge und Abstandsänderungen auf eine besonders schnelle Aktualisierung momentaner Meßwerte und damit auf eine hohe Meßfrequenz ankommt.

Es ist weiter bekannt, Ultraschall- oder Infrarot-Sender und Ultraschall- oder Infrarot-Empfänger getrennt und in einem Ab­ stand zueinander anzuordnen. Mit solchen Anordnungen wird eine Anwesenheitskontrolle, z. B. in Form einer Lichtschranke, durchgeführt, wobei aus einer Unterbrechnung des Strahlen­ gangs ein Hindernis im Strahlengang erkannt und angezeigt wird. Eine Abstandsinformation wird mit den bekannten Anord­ nungen nicht erfaßt.

Vorteile der Erfindung

Das Abstandsmeßsystem zur berührungslosen Abstandsmessung zwi­ schen zwei Objekten, insbesondere zwischen zwei Kraftfahrzeu­ gen, mit den Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß das mit einer Reihe von Unsicherheiten behaf­ tete Echoprinzip nicht mehr verwendet wird. Dadurch ergibt sich eine Vergrößerung der Reichweite, da kein doppelter Laut­ weg für das Ultraschall-Signal erforderlich ist und damit keine Intensitätsverluste durch Absorbtion und Streuung an einem reflektierenden Objekt auftreten. Die Auflösung ist hoch und entspricht etwa der verwendeten Ultraschall-Wellen­ länge. Weiter ist die Störsicherheit hoch, da die Erkennung der Ultraschall- und Infrarot-Sendesignale mit größerer Si­ cherheit erfolgt als die Erkennung eines Echosignals, das von einem Hindernis reflektiert wurde. Das System ist zudem unab­ hängig von den stark variierenden, optischen und akustischen sowie von Absorbtionseigenschaften unterschiedlicher Objekte. Eine Einschränkung des Meßbereichs bei sehr kleinen Entfernun­ gen besteht nicht. Fehlmessungen von Fahrzeugen, die auf Pa­ rallelspuren entgegenkommen, können ausgeschlossen werden, da die beiden Sender am Heck des Fahrzeugs und die Empfänger im Frontbereich eines Fahrzeugs zweckmäßigerweise angeordnet sind und die Messung nur in Richtung des Strahlengangs er­ folgt.

Die Infrarot-Übertragungsstrecke kann in einer Weiterbildung zur Übertragung von zusatzlichen Informationen, wie Geschwin­ digkeit des vorausfahrenden Fahrzeugs, Abstand zum nächsten und übernächsten Nachbarfahrzeug, etc., ausgebaut werden.

Die Wiederholzeiten zwischen zwei Messungen sind wegen des nur einfachen Laufweges für das Ultraschall-Signal klein, bzw. die Meßfrequenz hoch wählbar. Für eine weitere Steige­ rung der Meßfrequenz kann in einer weiterführenden Ausbildung der Erfindung mit Ultraschall-Signalen unterschiedlicher Fre­ quenz gearbeitet werden. Ultraschall-Signale unterschied­ licher Frequenz können dann selektiv empfangen werden, wo­ durch die Meßfrequenz bei eindeutigen Meßergebnissen gestei­ gert werden kann.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Sendeeinheit und Empfangseinheit und

Fig. 2 eine Darstellung der Sendeimpulse und der Empfangssig­ nale.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In Fig. 1 ist ein Abstandsmeßsystem 1 bestehend aus einer Sendeeinheit 2 und einer Empfangseinheit 3 dargestellt. Die Sendeeinheit 2 besteht aus einem Ultraschall-Sender 4 und einem Infrarot-Sender 5. Eine Ultraschall-Sendeelektronik 6 steuert einen Ultraschall-Wandler 7, der Ultraschall-Signale 8 in einem bestimmten Abstrahlwinkel abstrahlt.

Eine Infrarot-Sendeelektronik 9 steuert einen Infrarot-Wand­ ler (IR-LED) 10 an, der Infrarot-Signale in einem Abstrahlwin­ kel abstrahlt, wobei sich die Abstrahlwinkel für die Ultra­ schall- und Infrarot-Signale überdecken.

Die Sendeeinheit 2 ist am Heck eines Fahrzeugs angeordnet, wo­ bei die Abstrahlwinkel nach rückwärts gerichtet sind.

Die Empfangseinheit 3 ist dagegen an der Frontseite eines anderen Fahrzeugs angeordnet und für den Empfang nach vorne ausgerichtet.

Die Empfangseinheit 3 umfaßt einen Ultraschall-Empfänger 12 zum Empfang der Ultraschall-Signale 8 und einen Infrarot-Emp­ fänger (Fotodiode) 13 zum Emfpang der Infrarot-Signale 11. Beiden Empfängern sind Schwellwertschalter 14, 15 nachgeschal­ tet. Der Ausgang des Schwellwertschalters 15 ist mit dem Starteingang 16 eines Zählers 17 verbunden. Der Ausgang des Schwellwertschalters 14 ist sowohl mit einem Stoppeingang 18 des Zählers 17 als auch mit einer Auswerteeinheit 19, die im wesentlichen aus einem Mikroprozessor besteht, verbunden. Zu­ dem ist auch der Zähler 17 und ein Thermoelement 20 mit der Auswerteeinheit 19 verbunden.

Die Funktion der dargestellten Anordnung wird anhand der Fig. 2 näher erläutert.

Vom Infrarot-Sender 5 werden periodisch Infrarot-Signale 11 als Einzelimpulse 21 ausgesandt. Mit jedem Einzelimpuls 21 wird eine Abstandsmessung bzw. Laufzeitmessung für ein Ultra­ schall-Signal ausgelöst. Dazu wird der Impuls 21 vom Infra­ rot-Empfänger 13 erfaßt und über den Schwellwertschalter 15 dem Starteingang 16 des Zählers 17 als Startimpuls zugeführt. Somit erfolgt der Start des Zählers 17 nahezu gleichzeitig mit dem Aussenden des Impulses 21, da die Lichtgeschwindig­ keit extrem hoch ist und die gemessenen Abstände dazu relativ klein sind. Der Zählerstart in der Empfangseinheit 3 wird somit praktisch zeitgleich durch den in Fig. 2 eingezeich­ neten Impuls 21 a ausgelöst.

Zugleich mit dem Infrarot-Einzelimpuls 21 wird auch ein Ultra­ schall-Einzelimpuls (als kurzer Wellenzug) 22 vom Ultra­ schall-Sender 4 abgegeben. Die beiden Sender sind über die Steuerleitung 23 korreliert. Wegen der kleinen Schallgeschwin­ digkeit in Luft gegenüber der Lichtgeschwindigkeit trifft der Ultraschall-Impuls 22 wesentlich später als der Infrarot-Im­ puls 21 a am Ultraschall-Empfänger 12 als Ultraschall-Impuls 22 a ein. Der Laufzeitunterschied zwischen dem Infrarot-Signal und dem Ultraschall-Signal ist mit Δ t in Fig. 2 eingezeich­ net. Die Zeit Δ t wird dadurch ermittelt, daß beim Eintref­ fen des Ultraschall-Impulses 22 a der Zähler 17 durch einen Im­ puls am Stoppeingang 18 angehalten wird. Zugleich wird der ermittelte Zählerstand als Maß für die Laufzeit Δ t vom Mikroprozessor übernommen und in einen Abstandswert umgerech­ net, wobei mit dem Thermoelement 20 die Abhängigkeit der Schallgeschwindigkeit in Luft von der Temperatur korregierbar ist.

Die Abstandsmessungen werden jeweils nach der Wiederholzeit τ periodisch durchgeführt und aktualisert.

Claims (4)

1. Abstandsmeßsystem zur berührungslosen Abstandsmessung zwi­ schen zwei Objekten, insbesondere zwischen zwei Kraftfahrzeu­ gen, mit einem Ultraschall-Sender und einem Ultraschall-Emp­ fänger sowie einer Einrichtung zur Laufzeitmessung eines Ultraschall-Signals mit nachgeschalteter Auswerteeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschall-Sender (4) am ersten Objekt und der Ultraschall-Empfänger (12) am zweiten Objekt angebracht sind, daß am ersten Objekt zusätzlich ein Infrarot-Sender (5) und am zweiten Objekt ein Infrarot-Empfän­ ger (13) angebracht sind, daß der Ultraschall-Sender (4) und der Infrarot-Sender (5) gleichzeitig zur Aussendung eines Ultraschall-Signals (8) bzw. eines Infrarot-Signals (11) ange­ steuert werden, wobei sich die Abstrahlwinkel beider Sender (8 und 11) überdecken, daß sich Empfangswinkel des Ultra­ schall-Empfängers (12) und des Infrarot-Empfängers (13) über­ decken, wobei der Infrarot-Empfänger (13) beim Auftreffen des Infrarot-Signals (11 bzw. 21 a) die Einrichtung zur Laufzeit­ messung (17) für das gleichzeitig ausgesandte Ultraschall- Signal (8 bzw. 22) aktiviert bzw. startet und der Ultra­ schall-Empfänger (12) beim Auftreffen des Ultraschall-Signals (22 a) die Einrichtung zur Laufzeitmessung (17) deaktiviert bzw. die Laufzeitmessung beendet.

2. Abstandsmeßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gleichzeitige Ansteuerung des Ultraschall-Senders (4) und des Infrarot-Senders (5) periodisch über einen Taktgeber erfolgt.

3. Abstandsmeßsystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß an die Auswerteeinrichtung ein Temperaturfühler (20) zur Messung der Lufttemperatur ange­ schlossen ist.

4. Abstandsmeßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß zusätzlich die Bewegungsgeschwindig­ keit des Ultraschallempfängers gegen Grund erfaßt wird, diese Information der Auswerteeinheit zugeführt und dort mit dem Laufzeitsignal verknüpft wird.