DE3841333C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung eines Zustands einer Fahrbahn - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung eines Zustands einer FahrbahnInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung nach dem
Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus Gründen der Verkehrs- und Fahrsicherheit ist es wünschenswert, einen
Zustand einer von einem Fahrzeug befahrenen Fahrbahn vom fahrenden Fahrzeug
aus zu ermitteln und einem Fahrzeugführer anzuzeigen.
Aus der CH-653 134 A5 ist eine Straßenzustandsermittlungseinrichtung
bekannt, bei welcher eine Fahrbahnoberfläche in einer geneigt zu einer
Senkrechten auf die Oberfläche verlaufenden Richtung mittels
Infrarotstrahlung beaufschlagt wird. Zwei Sensoren erfassen die Intensitäten
des von der Fahrbahnoberfläche gerichtet reflektierten Strahlungsanteils und
des diffus reflektierten Strahlungsanteils. Infrarotstrahler und Sensoren
sind hierbei an einem am Rand der Straßenoberfläche stehenden Mast bzw. einem
am Mast angeordneten Trägerarm befestigt. Durch Auswerten der Intensitäten
der reflektierten Strahlungsanteile kann ein Zustand der Fahrbahn (trocken,
naß, schneebedeckt oder gefroren) ermittelt werden.
Einen Zustand einer von einem Fahrzeug befahrenen Fahrbahn kann mit dieser
Einrichtung jedoch nur an bestimmten stationären Stellen ermittelt und
beispielsweise angezeigt werden, da es für die Auswertung erforderlich ist,
das Reflexionsverfahren des Fahrbahnbelags zu kennen und die
Ermittlungseinrichtung auf dieses einzujustieren. Da die von einem Fahrzeug
befahrenen Fahrbahnbeläge jedoch in der Regel stark unterschiedlichen Aufbaus
sind und große Unterschiede in ihrem Reflexionsverhalten aufweisen, kann die
bekannte Straßenzustandsermittlungseinrichtung in fahrenden Fahrzeugen keine
Anwendung finden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Überwachung eines Zustands einer Fahrbahn zu schaffen, welches ohne
Kenntnis der Zusammensetzung des Fahrbahnbelags einen Zustand der Fahrbahn in
einem fahrenden Fahrzeug sicher ermittelt und anzeigt.
Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Weitere, die Erfindung in vorteilhafter Weise ausgestaltende Merkmale sind in
den Unteransprüchen enthalten.
Die Vorteile der Erfindung sind in erster Linie darin zu sehen, daß ohne
Kenntnis der Zusammensetzung des Fahrbahnbelags und dessen
Reflexionsverhalten ein Zustand einer von einem Fahrzeug befahrenen Fahrbahn
sicher ermittelt werden kann, indem als reflektierende Oberfläche eine
Lauffläche eines auf der Fahrbahn laufenden Fahrzeugrades des Fahrzeugs
herangezogen wird.
Die Erfindung macht sich hierbei den Effekt zunutze, daß beispielsweise ein
Flüssigkeitsfilm auf der Fahrbahn die Lauffläche des Fahrzeugrads benetzt.
Die Lauffläche von Fahrzeugrädern bestehen in der Regel aus einer schwarzen
Gummimischung, welche die Strahlung im unbenetzten Zustand größtenteils
diffus reflektiert (bei Schienenfahrzeugen kann wenigstens die Lauffläche des
Fahrzeugrads aus einem die Strahlung größtenteils diffus reflektierenden
Material bestehend gewählt werden). Durch die Benetzung der Lauffläche mit
der Flüssigkeit ändert sich das Reflexionsverhalten der Lauffläche
schlagartig, so daß beispielsweise auf die Lauffläche auftreffendes Licht
gespiegelt (gerichtet reflektiert) wird.
Die Auswertung erfolgt durch Vergleich einer Abweichung der Intensität (Ir)
der Reflexionsstrahlung von der Intensität (Is) der Streustrahlung mit
Referenzwerten; die Wellenlänge der Strahlung liegt hierbei bevorzugt im
Bereich des infraroten Lichts oder im Mikrowellenbereich.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsformen näher erläutert.
Es zeigt
Fig. 1 eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit einem
Fahrzeugrad und einem die Lauffläche des Fahrzeugrads
beaufschlagenden Strahler und zwei Sensoren zur Erfassung des
reflektierten Lichts,
Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Auswerteschaltung der Vorrichtung,
Fig. 3 ein Weg-Intensitätssignal-Diagramm eines Streustrahlungsanteils,
Fig. 4 ein Diagramm nach Fig. 3, jedoch für einen
Strahlungsintensitätsverlauf eines gerichtet reflektierten
Strahlungsanteils,
Fig. 5 ein Diagramm nach Fig. 3, jedoch für einen Verlauf eines
Differenzsignals aus beiden Strahlungsanteilen,
Fig. 6 eine Vorrichtung nach Fig. 1, jedoch in einer anderen Ausgestaltung.
In Fig. 1 ist mit 1 ein Fahrzeugrad eines Kraftfahrzeugs gezeigt, welches auf
einer nicht dargestellten Fahrbahn abrollt. Das Fahrzeugrad 1 dreht sich
hierbei um eine Radachse 2. Eine Lauffläche 3 des Fahrzeugrads 1, welche
beispielsweise durch eine sich auf der Fahrbahn befindliche Flüssigkeit
benetzt werden kann, wird durch einen ersten Strahler mit einer
elektromagnetischen Strahlung, beispielsweise mit infrarotem Licht
beaufschlagt. Die Bestrahlung erfolgt hierbei um einen Winkel ew
(Einfallswinkel) geneigt zur Senkrechten auf die Lauffläche 3.
Ein erster Strahlungsempfänger 5 erfaßt die Intensität des von der Oberfläche
gerichtet reflektierten Strahlungsanteils (Reflexionsstrahlung); er ist
hierzu so angeordnet, daß er (mit seiner größten Empfindlichkeit) gegenüber
dem Strahler 4 (bzw. dessen Abstrahlrichtung) in der Lichteinfallsebene um
einen entgegengesetzt betragsmäßig gleichen Winkel gegen die Senkrechte auf
die Lauffläche geneigt ausgerichtet ist (Betrag des Einfallswinkels ew =
Betrag des Reflexionswinkels rw). Ein zweiter Strahlungsempfänger 6 ist
entweder senkrecht auf die Lauffläche oder, in einem von den erstgenannten
Winkeln abweichenden Winkel gegen die Senkrechte geneigt, gerichtet. Auf
diese Weise erfaßt der erste Strahlungsempfänger 5 die Intensität des von der
Lauffläche gerichtet reflektierten Strahlungsanteils (Reflexionsstrahlung)
und der zweite Strahlungsempfänger 6 die Intensität des von der Lauffläche 3
diffus reflektierten Strahlungsanteils (Streustrahlung).
Es ist hierbei besonders vorteilhaft, wenn die Abstrahlrichtung des Strahlers
4 und die Richtungen der größtem Empfindlichkeiten der ersten und zweiten
Strahlungsempfänger 5 und 6 in einer Ebene liegen, welche durch die
Fahrzeugachse 2 und eine Drehachse 7, um die sich das Fahrzeugrad relativ zu
einer Karosserie 8 des Kraftfahrzeugs drehen kann, aufgespannt ist. Dies
gewährleistet, daß das Meßergebnis unabhängig von den Bewegungen des
Fahrzeugrads 1 gegenüber der Karosserie 8 ist. Die Drehachse 7 ist hier als
karosseriefeste Achse eines Schräglenkers 9 gezeigt, welcher über Lager 10,
11 drehbar mit der Karosserie verbunden ist. Der Schräglenker 9 führt hierbei
über die Radachse 2 das Fahrzeugrad 1 und ist über nicht gezeigte Feder- und/oder
Dämpferelemente gegenüber der Karosserie 8 abgestützt. Strahler 4
sowie erster Strahlungsempfänger 5 und zweiter Strahlungsempfänger 6 sind
bevorzugt auf dem Schräglenker 8 befestigt und bewegen sich so mit der durch
die Radachse 2 und die Drehachse 7 aufgespannten Ebene.
Das in Fig. 2 gezeigte Blockschaltbild zeigt wiederum das Fahrzeugrad 1, den
eine Infrarotstrahlung abgebenden Strahler 4 (emittierte Strahlung Ie), den
ersten Strahlungsempfänger 5, welcher den gerichtet reflektierten
Strahlungsteil Ir erfaßt und den zweiten Strahlungsempfänger 6 zur Messung
des Streustrahlungsanteils Is. Die emittierte Strahlung Ie des Strahlers 4
wird über ein Frequenzsignal fm eines Frequenzgenerators 12 moduliert
(Amplitudenmodulation). Die Intensität des gerichtet reflektierten
Strahlungsanteils wird durch den ersten Strahlungsempfänger 5 in ein
elektrisches Signal sir umgesetzt, welches von einem nachfolgenden Verstärker
13 verstärkt (verstärktes Reflexionssignal svir) wird. Ein Bandpaßfilter 14
filtert Anteile mit Frequenzen des Frequenzsignals fm aus (gefiltertes
Reflexionssignal sfir), welches in einem nachfolgenden Gleichrichter 15
gleichgerichtet wird (gleichgerichtetes Reflexionssignal srir).
Die über den zweiten Strahlungsempfänger 6 in ein elektrisches Signal sis
umgewandelte Intensität des diffus reflektierten Strahlungsanteils Is wird in
einem zweiten Verstärker verstärkt (verstärktes Streustrahlungssignal svis)
und einem zweiten Bandpaßfilter 17 zugeführt, welches wiederum Signale mit
den Frequenzen des Frequenzsignals fm ausfiltert (gefiltertes
Streustrahlungssignal sfis). Ein zweiter Gleichrichter 18 richtet das
gefilterte Streustrahlungssignal gleich (gleichgerichtetes
Streustrahlungssignal sris).
Die Ausgangssignale des ersten und zweiten Gleichrichters 15, 18 werden einem
Differenzverstärker 19 zugeführt, welcher die Differenz des gleichgerichteten
Reflexionssignals srir und des gleichgerichteten Streustrahlungssignals sris
bildet und zu einem Differenzsignal sd zusammensetzt. Dieses wird in einem
(oder mehreren, nicht gezeigt) Komparator 20 mit einem Referenzwert k, (mit
mehreren Referenzwerten) verglichen (Referenzwertgeber 21). Unterschreitet
das Referenzsignal den Referenzwert k, so gibt der Komparator 20 (die
Komparatoren) ein (mehrere) Schaltsignal(e) sa ab.
Das Schaltsignal sa kann einer Anzeigeeinheit 22 zugeführt werden. Es ist
ebenso denkbar, das Schaltsignal sa Steuersystemen zur Verfügung zu stellen,
welche die Fahrdynamik des Kraftfahrzeugs mittelbar oder unmittelbar
beeinflussen, beispielsweise einem Antiblockier-Bremssystem 23, einem
Antriebsschlupf-Regelsystem 24, einem Allradsteuersystem 25 sowie weiteren,
nicht gezeigten Steuersystemen. In Abhängigkeit dieses Schaltsignals sa
können die Steuersysteme Regelkennlinien, nach denen sie die Fahrdynamik des
Kraftfahrzeugs beeinflussen, gezielt den Straßenverhältnissen anpassen.
Alternativ hierzu können die Signale sris, srir oder sd auch (analog/digital
gewandelt) einem Mikrorechner zugeführt werden, der dann die Auswertung bzw.
die Referenzwertvergleiche durchführt und Schaltsignale sa erzeugt.
In Fig. 3, 4 und 5 sind Diagramme von Signalverläufen über einer befahrenen
Wegstrecke s mit Wegpunkten s1, s2, s3 und s4 gezeigt. Hierbei ist
angenommen, daß die Fahrbahn zwischen den Wegpunkten s1 und s3 naß und sonst
trocken ist.
Fig. 3 zeigt hierbei den Verlauf des gleichgerichteten Streustrahlungssignals
sris. Das Streustrahlungssignal sris fällt hierbei, um eine kurze Wegstrecke
(s1 bis s2) verzögert, von einem ersten Pegel srisa zu einem zweiten Pegel
srisb ab. Diese Verzögerung rührt daher, daß die benetzte Lauffläche erst
nach einem bestimmten Umdrehungswinkel des Fahrzeugrads 1 zur Abtaststelle
(Strahlungsempfänger) gelangt. Das Streustrahlungssignal sris bleibt bis zum
Wegpunkt S4 auf dem zweiten Pegel srisb und steigt dann wieder (mit dem
Abtrocknen der Lauffläche) allmählich auf den ersten Pegel srisa an.
Der in Fig. 4 dargestellte Verlauf der gerichtet reflektierten Strahlung srir
verhält sich genau entgegengesetzt zu dem Verlauf des Streustrahlungssignals:
Er liegt bis zu dem Wegpunkt s2 auf einem niedrigen ersten Pegel srira und
steigt dort schlagartig auf einen zweiten, wesentlich höheren Pegel srisb an.
In gleicher Weise ergibt sich wieder am Wegpunkt s4 der abfallende Verlauf
des Signals srir auf den ersten Pegel srira. Die Signalverläufe geben hierbei
wieder, daß bei einer Benetzung der Lauffläche der reflektierte
Strahlungsanteil sehr stark zugunsten des Streustrahlungsanteils vergrößert
wird.
Fig. 5 zeigt den Verlauf des Differenzsignals sd. Beim Wegpunkt s2 ergibt
sich ein sprunghafter Abfall des Differenzsignals sd von einem ersten
positiven Pegel sda zu einem zweiten, stark negativen Pegel sdb, welcher nach
Wegpunkt s4 durch das Abtrocknen des Reifens wieder allmählich auf den ersten
Pegel sda anwächst. Es ist hieraus ersichtlich, daß sich allein schon durch
den Vorzeichenwechsel eine deutliche Signaländerung bei nasser Fahrbahn
ergibt. Unterhalb von Fig. 5 sind noch einmal die trockenen und nassen
Fahrbahnabschnitte der Wegstrecke s dargestellt.
Fig. 6 schließlich gibt eine Anordnung eines Strahlers 26 und eines
Strahlungsempfängers 27 in einer anderen Ausführungsform wieder. Auf die
Darstellung des zweiten Strahlungsempfängers, der unter Umständen auch
entfallen kann, wurde hier aus Übersichtlichkeitsgründen verzichtet. Strahler
26 und erster Strahlungsempfänger 27 sind innerhalb der Karosserie 28 an
Stellen angeordnet, welche in Richtung der Radachse 29 des Fahrzeugrads 30
gesehen, hinter einem Radhaus (oder Schutzblech) 31 liegen.
Bevorzugt sind die beiden Elemente 26 und 27 in einem Tubus 32 angeordnet,
welcher deren Verschmutzen durch vom Fahrzeugrad 30 weggeschleuderte
Schmutzteilchen vermindert. Zusätzlich kann der Tubus 32 noch über eine
Öffnung 33 mit einem Spülmedium (z. B. Druckluft) durchsetzt werden, welches
die Verschmutzungsgefahr des Strahlers 26 und des ersten Strahlungsempfängers
27 weiter verringert. In gleicher Weise können auch Strahler 4 und
Strahlungsempfänger 5 und 6 nach den Fig. 1 und 2 in (beblasenen) Tuben
angeordnet sein (nicht gezeigt).
Es kann sinnvoll sein, den Strahler 4, 26, den ersten Strahlungsempfänger 5,
27 und den zweiten Strahlungsempfänger 6 mit einer Reinigungseinrichtung zu
versehen (nicht gezeigt). Hierzu können beispielsweise Spritzwasser- oder
Wischeinrichtungen verwendet werden, welche beispielsweise auch bei
Scheinwerfern Verwendung finden.
Claims (18)
1. Verfahren zur Überwachung eines Zustands einer von einem Fahrzeug
befahrenen Fahrbahn hinsichtlich der Zustände trocken, naß, schneebedeckt oder gefroren,
wobei eine Oberfläche in einer geneigt zu einer
Senkrechten auf die Oberfläche verlaufenden Richtung mittels
elektromagnetischer Strahlung beaufschlagt wird und Intensitäten des von der
Oberfläche gerichtet reflektierten Strahlungsanteils (Reflexionsstrahlung)
und des von der Oberfläche diffus reflektierten Strahlungsanteils
(Streustrahlung) erfaßt und ein Zustand der Fahrbahn durch Auswertung der
Intensitäten der reflektierten Strahlungsanteile ermittelt wird, dadurch
gekennzeichnet, daß als reflektierende Oberfläche eine Lauffläche (3) eines
auf der Fahrbahn laufenden Fahrzeugrads (1) des Fahrzeugs herangezogen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens die
Lauffläche (3) des Fahrzeugrads (1) aus einem die Strahlung im unbenetzten
Zustand größtenteils diffus reflektierenden Material bestehend gewählt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
Auswertung durch Vergleich einer Abweichung der Intensität (Ir) der
Reflexionsstrahlung von der Intensität (Is) der Streustrahlung mit
Referenzwerten erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die
Wellenlänge der Strahlung im Bereich des infraroten Lichts liegt.
5. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die
Wellenlänge der Strahlung im Mikrowellenbereich liegt.
6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach wenigstens einem der
Ansprüche 1 bis 5, mit einem elektromagnetische Strahlung in Richtung einer
Oberfläche aussendenden Strahler, einem die Intensität des von der Oberfläche
gerichtet reflektierten Strahlungsanteils (Reflexionsstrahlung) erfassenden
ersten Strahlungsempfänger und einem die Intensität des von der Oberfläche
diffus reflektierten Strahlungsanteils (Streustahlung) erfassenden zweiten
Strahlungsempfänger, wobei Strahler, erster und zweiter Strahlungsempfänger
in einer wenigstens annähernd senkrecht zur Oberfläche stehenden Ebene
angeordnet sind und der Strahler und der erste Strahlungsempfänger um
entgegengesetzt betragsmäßig gleiche Winkel gegen die Senkrechte auf die
Oberfläche geneigt ausgerichtet sind und der zweite Strahlungsempfänger
entweder senkrecht auf die Oberfläche oder in einem von den erstgenannten
Winkeln abweichenden Winkel gegen die Senkrechte gerichtet ist und wobei eine
Auswerteschaltung aus den Intensitäten der reflektierten Strahlungsanteile
den Zustand der Fahrbahn ermittelt, dadurch gekennzeichnet, daß die
bestrahlte Oberfläche eine Lauffläche (3) eines auf der Fahrbahn rollenden
Fahrzeugrads (1) ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ebene
wenigstens annähernd durch die Radachse (2) verläuft.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ebene durch
eine Radachse (2) und eine Achse (7), um die sich das Fahrzeugrad (1) relativ
zu einer Karosserie des Kraftfahrzeuges drehen kann, verläuft.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse (7)
Drehachse eines Teils einer Radaufhängung (Schräglenker (9)) ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der
Strahler (4), der erste und der zweite Strahlungsempfänger (5, 6) auf dem
Teil der Radaufhängung (Schräglenker (9)) angeordnet und drehfest mit diesem
verbunden sind.
11. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahler (4,
26), der erste und der zweite Strahlungsempfänger (5, 6, 17) karosseriefest
jeweils an Stellen angeordnet sind, welche wenigstens annähernd in einer
durch die Radachse (2, 29) verlaufenden Ebene liegen.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellen in
einer Karosserie (28) oder, in Richtung von der Radachse (29) gesehen, hinter
einem Radhaus (31) oder Schutzblech liegen.
13. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch
gekennzeichnet, daß der Strahler (4, 26), der erste und zweite
Strahlungsempfänger (5, 27, 6) mit einer Reinigungseinrichtung versehen sind.
14. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch
gekennzeichnet, daß der Strahler (26), der erste und der zweite
Strahlungsempfänger (5, 27, 6) in einem Tubus (32) angeordnet sind.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Tubus (32)
mittels eines Spülmediums durchsetzt ist.
16. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß ein Ausgangssignal (sir, sis) des Strahlungsempfängers
(5, 6) mittels eines Verstärkers (13, 16) verstärkt, mittels eines ersten
bzw. zweiten Bandpaßfilters (14, 17) gefiltert und mittels eines ersten bzw.
zweiten Gleichrichters (15, 18) gleichgerichtet und die Signale (srir, sris)
des ersten und zweiten Gleichrichters (15, 16) einer Auswerteschaltung (19-21)
zugeführt wird, innerhalb derer eine Differenz (sd) beider Signale (srir,
sris) gebildet und die Differenz (sd) mit Schwellwerten (k) verglichen wird.
17. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit von einem Überschreiten wenigstens eines
Schwellwerts (k) ein den Zustand der Fahrbahn charakterisierendes
Fahrbahnzustandssignal an ein Anzeigegerät (22) abgegeben wird.
18. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit von einem Überschreiten wenigstens eines
Schwellwerts (k) ein den Zustand der Fahrbahn charakterisierendes
Fahrbahnzustandssignal (sa) an wenigstens ein die Fahrdynamik des
Kraftfahrzeugs mittelbar oder unmittelbar beeinflussendes Steuersystem
(Antiblockier-Bremssystem (23), Antriebsschlupf-Regelungssystem (24),
Allrad-Steuersystem (25), Ausgleichsgetriebe-Steuerungssystem) abgibt.
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