DE3839963A1 - Weg-winkel-sensor - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen Weg-Winkel-Sensor nach
dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Aus "Bosch Technische Berichte", 8 (1986/-) Heft 1/2,
Seiten 57 bis 65 ist es bekannt, Weg-Winkel-Sensoren
bei der Koppelnavigation einzusetzen, da sich mit
diesen Geräten Weginkremente wesentlich präziser er
fassen lassen, als durch den Radumlauf. Statt über
den Rad-Straße-Kontakt wird der Weg über die Relativ
bewegung zur Straßenoberfläche berührungslos erfaßt,
indem die bei der Relativbewegung zu einer statis
tisch rauhen Oberfläche auftretenden Ortsfrequenzen
ausgewertet werden.
Bei einer zur Wegerfassung geeigneten Anordnung
wird die bewegte, strukturierte und bedarfsweise
beleuchtete Fläche, bei Einsatz in Fahrzeugen al
so die Straßenoberfläche, durch ein Objektiv auf
einem optischen Sensor abgebildet. Dieser kann z. B.
aus einem Gitter aus äquidistant angeordneten, strei
fenförmigen Photodioden, einem sogenannten Dioden
array bestehen und besitzt dann gleichzeitig Filter
eigenschaften. Der Photostrom dieses Diodenarrays
weist eine bevorzugte Frequenz auf, die direkt pro
portional zur Relativgeschwindigkeit zwischen Meß
einrichtung und Fahrbahnoberfläche ist.
Unter der Annahme, daß das Bild der Straßenober
fläche aus sinusförmigen Helligkeitsverteilungen
unterschiedlicher Wellenlänge mit zunächst gleich
großen Amplituden zusammengesetzt ist, hat der von
jedem Wellenzug erzeugte Photostrom in einem unstrukturierten
Empfänger die Frequenz
Darin bedeutet M der Abbildungsmaßstab der Optik,
v die Relativgeschwindigkeit und λ die Wellenlänge
der Helligkeitsverteilung.
Man kann nachweisen, daß bestimmte Ortswellenlängen
zu einer Erhöhung des Photostroms im Diodenarray
beitragen. Es handelt sich hierbei um solche Orts
wellenlängen, bei denen die Gitterkonstante des
Diodenarrays ein ungeradzahliges Vielfaches der
Ortswellenlänge beträgt. Im Maximum erster Ordnung
ist die Wellenlänge λ gleich der Gitterkonstanten
g und es ergibt sich die Frequenz des Photostroms
zu
Aus dieser Gleichung folgt, daß die Proportionali
tät zwischen Geschwindigkeit v und Ausgangsfrequenz
f nur von apparativen Größen, nämlich dem Abbildungs
maßstab M der Optik und der Gitterkonstanten g des
als Ortsfrequenzfilter dienenden Diodenarrays abhängt.
Während mit einem einzigen Diodenarray nur eindimen
sionale Bewegungen exakt erfaßbar sind, gestatten zwei,
im Winkel zueinander ausgerichtete Diodenarrays, Be
wegungen sowohl hinsichtlich des Weges als auch des
Winkels zu erfassen.
Da, wie oben gezeigt, der Abbildungsmaßstab M die
Proportionalität zwischen Geschwindigkeit und Aus
gangsfrequenz mit bestimmt, kommt es darauf an, die
sen konstant zu halten. Beim Einsatz in einem ge
federten Fahrzeug ändert sich aber der Abstand
zur Fahrbahnoberfläche ständig in gewissen Grenzen,
so daß dieser Umstand auch zu einer Änderung des
Abbildungsmaßstabes führen würde.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen
Weg-Winkel-Sensor zu schaffen, der innerhalb eines
Abstandsbereichs zur Meßoberfläche unabhängig von
seinem absoluten Abstand exakte Meßergebnisse lie
fert.
Diese Aufgabe wird bei einem Weg-Winkel-Sensor nach
dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die im kenn
zeichnenden Teil angegebenen Merkmale gelöst.
Die Verwendung eines gemeinsamen Objektivs gestattet
es, den Gegenstand unter gleichen Bedingungen auf
beiden Diodenarrays abzubilden. Außerdem wird neben
einer Verringerung der Baugröße durch diese Maßnah
me auch eine Verringerung des Aufwandes erreicht.
Entspricht die Gegenstandsweite, das ist der Abstand
zwischen der Optik und der Meßoberfläche, dem Nomi
nalwert, auf den die Optik eingestellt ist, so wird
der Gegenstand scharf auf dem Diodenarray abgebildet.
Dies ändert sich jedoch bei Abweichungen von der no
minalen Gegenstandsweite. Neben der Änderung des
Abbildungsmaßstabes wird die Abbildung unscharf.
So wird einmal der Zusammenhang zwischen
Frequenz und Wellenlänge der Helligkeitsverteilung
verändert, zum anderen wird auch die optische Auf
lösung der Maximalwerte verringert.
Durch eine telezentrische Blende wird in diesem
Fall erreicht, daß Bildpunkte des Gegenstandes in
der veränderten Gegenstandsebene wegen der endlichen
Öffnung der Blende in der Bildebene als unscharfen
Scheibchen, jedoch mit einem Schwerpunkt des Strahlen
kegels in der Mitte der Scheibchen abgebildet werden.
Dabei fällt der Schwerpunkt des Strahlenkegels mit
dem Ort der zuvor scharfen Abbildung bei nominaler
Gegenstandsweite zusammen. Daraus ergibt sich, daß
der Abbildungsmaßstab konstant ist. Zwar verändert
sich auch mit Blende etwas die Schärfe der Abbil
dung, wenn die Gegenstandsweite verändert wird,
der Grad der Unschärfe ist aber bei weitem nicht
so groß, wie es mit einem Objektiv ohne Blende der
Fall sein würde.
Ein weiterer Vorteil der telezentrischen Blende be
steht darin, daß kürzere Ortswellenlängen unter
drückt werden.
Da durch die Blende die Lichtstärke reduziert wird,
kann es bei stark lichtabsorbierenden Bezugsflächen
Schwierigkeiten bereiten, die Helligkeitsunterschie
de mit den Diodenarrays noch zu registrieren. Es ist
daher wichtig, daß die erfindungsgemäße Ausgestaltung
der Blendenanordnung als Kreuzspaltblende mit Umlenk
spiegel dafür sorgt, daß das durch die Spalte noch
durchfallende Licht nahezu ungedämpft, also ohne
Strahlenteilungsverluste zu den Diodenarrays ge
langt.
Dadurch wird z. B. bei Einsatz in Fahrzeugen auf
dunklen Fahrbahnoberflächen eine größere Zuver
lässigkeit der Messungen erreicht. Alternativ be
steht wegen des Kausalzusammenhangs zwischen Blen
denweite, Lichtstärke und Bildschärfe auch die
Möglichkeit, die Blendenweite zu verringern, um
so einen größeren Variationsbereich der Gegenstands
weite zuzulassen.
Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen
der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der
weiteren Beschreibung und der Zeichnung, die ein
Ausführungsbeispiel veranschaulicht.
In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 einen prinzipiellen Aufbau
eines Weg-Winkel-Sensors
nach der Erfindung,
Fig. 2 eine Draufsicht auf einen
Umlenkspiegel in einer ersten
Ausgestaltung, und
Fig. 3 eine Draufsicht auf einen
Umlenkspiegel in einer zwei
ten Ausgestaltung.
Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Weg-Winkel-
Sensors nach der Erfindung. Dieser umfaßt ein erstes
Diodenarray 10, ein zweites Diodenarray 12, eine Kreuz
spaltblende 16 mit Spalten 18 und 20, einen Umlenk
spiegel 22 sowie ein Objektiv 14.
Die Diodenarrays 10 und 12 bestehen aus einem Gitter
aus äquidistant angeordneten, streifenförmigen Photo
dioden. Die Anschlüsse der Dioden sind mit hier nicht
dargestellten Meßverstärkern verbunden, die den Pho
tostrom verstärken und einer Auswerteschaltung zufüh
ren.
Jedes Diodenarray ermöglicht für sich nur eine ein
dimensionale Erfassung von Bewegungen. Durch zwei
im Winkel seitlich gegeneinander verdrehte Dioden
arrays 10 und 12 lassen sich auch zweidimensionale
Bewegungen erfassen. Dabei sind die Diodenarrays
10 und 12 unter einem festen Winkel, vorzugsweise
90 Grad, zueinander ausgerichtet, so daß der Bewe
gungsvektor in seinen cos- und sin-bewerteten Teil
vektoren von den Arrays gemessen wird. Bei Gerade
ausfahrt, wie in Bild 1 dargestellt, wird der Bewe
gungsvektor auf die Diodenarrays unter jeweils 45
Grad abgebildet, so daß beide gleiche Anteile messen
(sin 45°= cos 45°).
Zur Abbildung der im unteren Teil der Zeichnung dar
gestellten Straßenoberfläche 28 auf die beiden Dio
denarrays dient die gemeinsame Optik 14. Bei einer
nominalen Gegenstandsweite von 550 mm und einem Ab
bildungsmaßstab M von 0,2 kann hierfür ein Objektiv
mit den Daten 1 : 2,5/90 mm verwendet werden. Mit dem
genannten Objektiv alleine könnte aber nur bei einer
einzigen Gegenstandsweite eine scharfe Abbildung der
Straßenoberfläche 28 auf den Diodenarrays 10 und 12 erzielt wer
den. Bei Änderung der Gegenstandsweite würden sowohl
die Schärfe der Abbildung als auch der Abbildungsmaß
stab Änderungen unterworfen.
Zur Erzielung eines konstanten Abbildungsmaßstabes
innerhalb eines gewissen Variationsbereichs der
Gegenstandsweite dienen Blenden, die zwischen die
Optik 14 und die Diodenarrays 10 und 12 eingefügt
sind. Diese haben die Gestalt einer Kreuz
spaltblende 16, welche zwei senkrecht aufeinander
stehende Spalte 18 und 20 umfaßt.
Dabei ist der Spalt 18 dem Diodenarray 10 und
der Spalt 20 dem Diodenarray 12 zugeordnet. Die
Spalte sind also jeweils im Strahlengang parallel
zu den einzelnen in Gitterstruktur aneinanderge
reihten Dioden der Diodenarrays 10 und 12 ausge
richtet. Um den Strahlengang zu den beiden Dioden
arrays 10 und 12 aufzuteilen, ist über dem Spalt
18 ein Umlenkspiegel 22 angeordnet, der das durch
den Spalt 18 fallende Licht auf das Diodenarray 10
wirft und das durch den Spalt 20 fallende Licht
geradlinig zum Diodenarray 12 durchläßt.
Durch die konstruktive Ausgestaltung der Kreuzspalt
blende 16 mit dem Umlenkspiegel 22 gelingt eine
nahezu verlustfreie Aufteilung des Lichtes auf
die beiden Diodenarrays 10 und 12. Die erfindungs
gemäße Anordnung ist damit bekannten Vorrichtungen
zur Strahlungsaufteilung, die sich z. B. halbdurch
lässiger Spiegel bedienen, weit überlegen.
Durch den Umlenkspiegel wird ferner der Spalt 18
soweit abgedeckt, daß er die Fokussierung bzw. den
Abbildungsmaßstab auf das Diodenarray 12 nicht be
einträchtigt. Eine solche Beeinträchtigung wäre
nämlich bei nicht abgedecktem Spalt 18 möglich.
Die Länge der Spalte 18 und 20 muß aus dem Durch
messer des Objektivs 14 und der Länge der Dioden
arrays 10 und 12 bestimmt werden. Die Breite der
Spalte 18 und 20 richtet sich nach optischen Ge
sichtspunkten, bei denen die Schärfe, der Abbil
dungsmaßstab, die Lichtintensität sowie Beugungs
effekte am Spalt berücksichtigt werden müssen.
Bei einer bevorzugten Ausführung besitzen die Spal
te 18 und 20 der Kreuzspaltblende 16 Längenabmessun
gen von 10,4 mm und Breitenabmessungen von 0,8 mm.
Die Wirkungsweise der telezentrischen Blenden be
ruht darauf, daß auch bei Veränderungen der Gegen
standsweite der Schwerpunkt der Strahlenkegel, mit
denen bestimmte Punkte der Straßenoberfläche 28 ab
gebildet werden, mit dem Ort der bei nominaler Ge
genstandsweite scharfen Abbildung zusammenfällt.
Zwar werden Punkte der Straßenoberfläche 28 zu un
scharfen Scheibchen abgebildet, durch das Maximum
in der Mitte des Strahlenkegels besteht aber dennoch
die Möglichkeit, die Lage der Orte auf den Dioden
arrays 10 und 12 zu erkennen und die Maxima des
gelieferten Photostroms auszuwerten. Wichtig ist
dabei, daß auch bei Variationen der Gegenstands
weite die Orte der Maxima gleich bleiben, nur ihre
Amplitude verringert sich.
Während im Durchlichtbereich, einmal von der Über
deckung des Spaltes 20 im Bereich seiner gemeinsa
men Überschneidung mit dem Spalt 18 abgesehen,
praktisch keine Dämpfung auftritt, könnten im ge
spiegelten Strahlengang durch Reflektionsverluste
Minderungen in der Lichtintensität eintreten. Diese
werden weitgehend dadurch vermieden, daß als re
flektierende Schicht 24 eine Chrom-Gold-Schicht
verwendet wird. Diese ist auf einem Glasstreifen
26 aufgedampft und erreicht bei dem vorzugsweise
verwendeten Infrarotlicht einen Reflektionsgrad
von annähernd 95%. Beide Diodenarrays 10 und 12
erhalten somit nahezu die gleiche Lichtintensität.
Da der geringe Reflektionsverlust von 5% kleiner
ist als die gemeinsame Überschneidungsfläche der
Spalte 18 und 20, kann eine Angleichung der auf die
Diodenarrays fallenden Lichtintensitäten dadurch
erreicht werden, daß die reflektierende Schicht
24 des Umlenkspiegels 22 an dieser Stelle unter
brochen wird. Diesbezüglich zeigen die Fig. 2
und 3 verschiedene Ausgestaltungen.
Fig. 2 zeigt einen Umlenkspiegel 22 in Draufsicht.
Er besteht aus einem Glasstreifen 26, auf dem die
reflektierende Schicht, vorzugsweise die Chrom-
Gold-Schicht aufgedampft ist. Da der Spiegel über
der Kreuzspaltblende mit einem Winkel von 45 Grad
steht, ist seine Breite größer als die Spaltbrei
te. Vorzugsweise hat er hier die Abmessungen von
einer Länge von 25 mm und einer Breite von 2,5 mm,
wobei die Längenabmessung der reflektierenden
Schicht 15 mm beträgt. Im Bereich der überschnei
denden Fläche des Spaltes 20 ist der Umlenkspiegel
22 jedoch ganz oder teilweise durchlässig.
Dies wird erreicht, indem entweder Kerben oder
Schlitze in den Spiegel 22 eingeschliffen werden
oder der entsprechende Bereich beim Bedampfen des
Glasstreifens 26 ausgelassen oder nach dem Bedampfen
weggeätzt wird. Die Unterbrechungen der reflektie
renden Schicht 24 liegen asymmetrisch zu einer Längs
mittelachse des Umlenkspiegels 22. Durch diese Maß
nahme wird berücksichtigt, daß der Umlenkspiegel 22
nicht in der Ebene der Spalte 18, sondern geneigt
darüber liegt.
Die Größe der Unterbrechung in der reflektierenden
Schicht 24 ermöglicht das Einstellen einer gleich
mäßigen Intensitätsverteilung auf beide Dioden
arrays 10 und 12.
Claims (7)
1. Weg-Winkel-Sensor, insbesondere zur be
rührungslosen Abtastung einer strukturierten
Straßenoberfläche, bestehend aus zwei seitlich ge
geneinander verdrehten, vorzugsweise als Dioden
arrays ausgebildeten optischen Sensoren und Ortsfre
quenzfiltern (10, 12), in deren Strahlengängen Ob
jektive (14) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet,
daß ein gemeinsames Objektiv (14) vorgesehen ist,
daß in den Strahlengängen der optischen Sensoren/
Ortsfrequenzfilter (10, 12) telezentrische Blenden
angeordnet und als Kreuzspaltblende (16) mit senk
recht zueinander ausgerichteten Spalten (18, 20) aus
gebildet sind, wobei über einem der Spalte (18)
ein Umlenkspiegel (22) angeordnet ist, und daß
das eine optische Sensor/Ortsfrequenzfiler (10)
im gespiegelten Strahlengang des einen Spaltes
(18) und das andere optische Sensor/Ortsfrequenz
filter (12) im durchfallenden Strahlengang des an
deren Spaltes (20) angeordnet ist.
2. Weg-Winkel-Sensor nach Anspruch 1, da
durch gekennzeichnet, daß der Umlenkspiegel (22)
im Bereich des anderen Spaltes (20) lichtdurch
lässig ist.
3. Weg-Winkel-Sensor nach Anspruch 2, da
durch gekennzeichnet, daß der Umlenkspiegel (22)
im Bereich des anderen Spaltes (20) in der Breite
verringert ist.
4. Weg-Winkel-Sensor nach Anspruch 2, da
durch gekennzeichnet, daß eine reflektierende
Schicht (24) des Umlenkspiegels (22) im Bereich
des anderen Spaltes (20) unterbrochen ist.
5. Weg-Winkel-Sensor nach einem oder mehre
ren der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet,
daß der Umlenkspiegel (22) aus einem Glasstreifen
(26) besteht, der mit einer reflektierenden Chrom-
Gold-Schicht (24) bedampft ist.
6. Weg-Winkel-Sensor nach einem oder mehre
ren der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet,
daß die Kreuzspaltblende (16) jeweils Spalte (18,
20) mit Längenabmessungen von etwa 10,4 mm und Brei
tenabmessungen von etwa 0,8 mm besitzt.
7. Weg-Winkel-Sensor nach Anspruch 6, da
durch gekennzeichnet, daß der Umlenkspiegel (22)
eine reflektierende Schicht (24) mit der Längenab
messung von etwa 15 mm und der Breitenabmessung
von etwa 2,5 mm besitzt und zur Ebene der Kreuz
spaltblende (16) im Winkel von 45 Grad geneigt ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19883839963 DE3839963C2 (de) | 1988-11-26 | 1988-11-26 | Weg-Winkel-Sensor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19883839963 DE3839963C2 (de) | 1988-11-26 | 1988-11-26 | Weg-Winkel-Sensor |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE3839963A1 true DE3839963A1 (de) | 1990-05-31 |
DE3839963C2 DE3839963C2 (de) | 2003-04-10 |
Family
ID=6367950
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19883839963 Expired - Fee Related DE3839963C2 (de) | 1988-11-26 | 1988-11-26 | Weg-Winkel-Sensor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE3839963C2 (de) |
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DE19650177B4 (de) * | 1996-12-04 | 2009-09-10 | Korneffel, Burghard, Dr.rer.nat. | Verfahren zur berührungslosen Messung der Geschwindigkeit |
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- 1988-11-26 DE DE19883839963 patent/DE3839963C2/de not_active Expired - Fee Related
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Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE3839963C2 (de) | 2003-04-10 |
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