DE3915466A1 - Verfahren zur aufnahme und durchfuehrung eines geregelten funkbetriebs zur kollisionsverhinderung zwischen fahrzeugen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Zur Unterstützung des Fahrers oder auch für automatisch fahrende Fahrzeuge werden Systeme gesucht und zum Teil auch schon eingesetzt, die die Gefahr der Kollision verhindern oder wenigstens verringern. Bisher wurden solche Systeme im wesentlichen für industrielle Anwendungen wie Kranbahnen, Gabelstapler und insbesondere fahrerlose Transportsysteme und Elektrohängebahnen verwendet.

Neuerdings wird es auch interessant, schnell fahrende Fahr­ zeuge auf Abstand zu halten. Die Firma VW hat z.B. auf der Hannover-Messe 1988 ein Verfahren für das sog. Convoy-Fah­ ren vorgestellt. Es können hierbei Fahrzeuge im Abstand von 1 m bei 120 km/h auf Autobahnen fahren. Der Einsatz der Auffahrschutzsysteme ist aber auch möglich für öffentliche Verkehrseinrichtungen.

Abgesehen von Abstandsmeßverfahren, die Laufzeiten ausnut­ zen, werden häufig einfache, nur die Signalstärke des Sen­ ders am Empfangsort bewertende Verfahren oder Anordnungen genutzt. Dabei ist wesentlich, daß die Signalstärke am Emp­ fangsort mit zunehmender Entfernung zum Sender immer klei­ ner wird.

Für die Signalübertragung werden Ultraschall- sowie elek­ tromagnetische und optische Systeme verwendet. Aufgrund der Störunempfindlichkeit werden die elektromagnetischen Syste­ me überwiegend bevorzugt.

Es ist bekannt, zur Erfüllung der Erfordernisse hochfre­ quente Signalübertragungseinrichtungen zu nutzen. Der we­ sentliche Stand der Technik ist durch Patentschrift US 33 66 958 gegeben. Rettungsfahrzeuge verfügen außer über Sirenen und Blinklichtern auch über HF-Sender und Empfän­ ger, um sich im Einsatzfall gegenseitig zu schützen. Von den Sendern werden kurze Signale mit konstanter Frequenz und Amplitude wiederholend abgestrahlt. Benachbarte Fahr­ zeuge empfangen diese Signale und werten sie aus. Die Si­ gnalstärke ist ein Maß für den Abstand. Nacheinander können alle Fahrzeuge senden, um so ihre Anwesenheit bekanntzu­ geben.

Durch die Patentschrift GB 10 30 873 ist ein Fahrzeugfüh­ rungssystem bekannt, in dem ein Fahrzeug in einem bestimm­ ten Abstand einem vorausfahrenden Fahrzeug automatisch nachgeführt wird. Hierfür ist eine Abstandsbestimmung not­ wendig. Das vorausfahrende Fahrzeug hat an seiner Heckseite eine von einem Oszillator (Sender) gespeiste Antenne, wel­ che ein elektromagnetisches Feld erzeugt, das wiederum von der am hinterherfahrenden Fahrzeug angebrachten Antenne und einer Empfangseinrichtung erfaßt und ausgewertet wird.

Aus der Offenlegungsschrift DE 28 23 096 A1 ist weiterhin eine Anordnung zur Abstandsmessung zwischen zwei Schwimm­ körpern bekannt, bei welcher das von einem Schwimmkörper mittels eines Senders erzeugte Magnetfeld von einem Empfän­ ger auf dem anderen Schwimmkörper erfaßt und hieraus der Abstand bestimmt wird.

Die Patentschrift GB 14 03 238 beschreibt ein selbstgetrie­ benes Fahrzeug, welches mittels eines ein elektromagneti­ sches Feld erzeugenden Senders, der an einem sich vor dem Fahrzeug bewegenden Objekt angebracht ist, diesem Objekt nachgeführt wird.

Im Prinzip können zur Abstandssicherung Infrarotsysteme ge­ nutzt werden. Ihr Vorteil ist, daß Sende- und Empfangsele­ mente gut voneinander getrennt werden können: Die Rückwir­ kung des Senders auf den eigenen Empfänger kann durch die gute Richtwirkung (Abschattung) vernachlässigbar klein ge­ staltet werden. Sender und Empfänger können gleichzeitig und ununterbrochen arbeiten. Nachteilig ist jedoch, daß In­ frarotsysteme empfindlich sind gegen Verschmutzung, Schnee, Laub usw. Auch Personen, die zwischen zwei stehenden fah­ rerlosen Transportfahrzeugen hindurchgehen, könnten durch Verdecken des Senders des ersten Fahrzeugs das zweite Fahr­ zeug wieder in Bewegung setzen. Daher scheiden Infrarotsy­ steme für viele Anwendungen aus.

Für große Abstände zwischen den Fahrzeugen werden häufig Frequenzen über 1 MHz genutzt. Bei tieffrequenteren Syste­ men macht sich der sehr starke Abfall des magnetischen An­ teils mit Zunahme der Entfernung bemerkbar. Sie werden da­ her vorzugsweise für geringe Entfernung z.B. unter 5 m ver­ wendet. Vorteilhaft ist, daß bei diesen Verhältnissen Re­ flexionen noch nicht stören. Tieffrequente, also überwie­ gend induktiv arbeitende Abstandssysteme werden deshalb häufig für sog. fahrerlose Transportfahrzeuge im Lager- und Produktionsbereich der Industrie eingesetzt.

Für Fahrzeuge, die sich nicht erkennen sollen, z.B. auf be­ nachbarten Fahrbahnen, können verschiedene Frequenzen ge­ wählt werden. Üblicherweise soll für jede Fahrtrichtung nur eine Frequenz zur Verfügung stehen.

Nachteilig bei den bisher verwendeten Systemen ist, daß bei einem möglichen Gleichlauf die Sender der verschiedenen be­ teiligten Fahrzeuge gleichzeitig aktiv sind, und daß dann in den Sendepausen die Empfänger kein Abstandssignal auf­ nehmen. Dieses Verhalten ist besonders dann kritisch, wenn beispielsweise ein Fahrzeug langsam fährt und ein zweites Fahrzeug schnell folgt. Wenn der Gleichlauf der Sender mehr oder weniger zufällig oder systembedingt erhalten bleibt, kommt es zu einer Kollision. Prinzipiell ist es möglich, die Fahrzeuge mit verschiedenen Sende- und Empfangszeiten zu kodieren. Dieses Verfahren läßt praktisch jedoch nur ei­ ne kleine Zahl bekannter Fahrzeuge zu. Wäre beispielsweise in einer Fahrzeuggruppe eine Wiederholzeit, d.h. die Summe aus Sende-, Empfangs- und Umschaltzeiten, mit 100 msec und eine Mindestsendezeit von 10 msec gegeben, so könnten maxi­ mal nur 10 Fahrzeuge teilnehmen. Tatsächlich ist die Zahl noch geringer, denn abgesehen davon, daß für eine gute Si­ gnalerkennung ausreichend Detektionszeit vorhanden sein muß, ist in der Praxis auch noch die Sende-/Empfangs- bzw. Empfangs-/Sendeumschaltzeit zu berücksichtigen. Sie kann etwa 1 bis 20 msec. betragen. Da während dieser Zeit weder Sender noch Empfänger definiert arbeiten, wird dadurch das Verfahren noch langsamer.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Abstand zwi­ schen Fahrzeugen, die in die gleiche Richtung fahren bzw. zwischen stehenden und fahrenden Fahrzeugen, zu sichern, so daß das jeweils folgende, schnellere Fahrzeug nicht auf ein langsam vorausfahrendes Fahrzeug auffährt. Das Verfahren soll bei geringem Aufwand für beliebig viele, beliebig aus­ tauschbare Fahrzeuge verwendbar sein und zuverlässig arbei­ ten.

Diese Aufgabe wird gemäß dem Kennzeichen des Patentan­ spruchs 1 gelöst. Danach werden die Fahrzeuge mit Sende- und Empfangseinrichtungen zum Abstrahlen und Empfangen von Signalen ausgerüstet. Die Sender werden so geschaltet, daß wechselweise auf eine Sendezeit eine Empfangszeit folgt, in der das Fahrzeug selbst fremde Sender empfangen kann. Bei­ spielsweise können bei einem Erfassungsbereich von 100 m Systeme im VHF- oder UHF-Bereich mit gerichteten oder unge­ richteten Antennen verwendet werden. Für einen Empfangsbe­ reich von wenigen Metern sind Frequenzen von 5-1000 kHz geeignet.

Damit die Fahrzeuge vorzugsweise die Signale der vorausbe­ findlichen und nicht die Signale der nachfolgenden Fahrzeu­ ge empfangen, ist es erforderlich, eine räumliche Trennung oder eine Richtwirkung der Antennen vorzusehen. Dabei gilt für:

• - tiefe Frequenzen, daß die Empfangsantenne sich vor der Sendeantenne befindet (Empfangsantenne am Bug, Sendeantenne am Heck),
• - hohe Frequenzen (z.B. UHF), daß die Antennen entsprechend nach vorn bzw. hinten gerichtet sind. Eine Richtwirkung kann aber auch durch den Fahrzeugkörper selbst erzeugt wer­ den. Dann können z.B. UHF-Rundstrahler am Bug und Heck ver­ wendet werden.

Damit die Fahrzeuge auch bei Gleichlauf der Sender erkannt werden, wird bei langsam fahrenden Fahrzeugen die Sendezeit erhöht und/oder die Empfangszeit gekürzt. Mit steigender Geschwindigkeit wird entsprechend umgekehrt vorgegangen. Feste Wiederholzeiten sind noch vertretbar, wenn die betei­ ligten Fahrzeuge in bestimmten aber deutlich unterscheidba­ ren Fahrstufen fahren (z.B. voll, halb, Halt). Im allgemei­ nen ist jedoch eine Veränderung der Wiederholzeit vorteil­ hafter, insbesondere bei Fahrzeugen mit beliebig variablen Geschwindigkeiten.

Beispielsweise ist es möglich, die Sendezeit aller Fahrzeu­ ge auf 10 msec zu begrenzen und die Empfangszeiten entspre­ chend der Geschwindigkeit zu verlängern. Somit wird durch die Verlängerung der Wiederholzeit der Sendergleichlauf aufgehoben.

Nach Anspruch 2 wird die Amplitude des vorausfahrenden Fahrzeugs bewertet und zur Ermittlung der maximal zulässi­ gen Geschwindigkeit verwendet. Im einfachsten Fall kann bei konstanter Amplitude des Sendesignals des vorausfahrenden Fahrzeugs das nachfolgende Fahrzeug so weit auffahren, bis bei einem bestimmten Abstand ein entsprechender Empfangspe­ gel erreicht ist und die Geschwindigkeit entsprechend dem vorausfahrenden Fahrzeug reduziert wird. Beide Fahrzeuge fahren dann mit gleicher Geschwindigkeit. Es ist natürlich auch möglich, stehenden oder langsam fahrenden Fahrzeugen einen entsprechend großen Sendepegel zu geben, so daß sie von schnell folgenden Fahrzeugen früher erkannt werden.

Zur Kollisionsverhinderung eignet sich aber auch ein Ver­ fahren nach Anspruch 3. Wichtig ist, daß der Sendergleich­ lauf begrenzt wird, damit eine ausreichende Datenübertra­ gungszeit bleibt. Modulieren, Demodulieren und Auswerten der Signale erfolgt nach bekannten Verfahren.

Nach Anspruch 4 soll die Sende- und Empfangszeit auch durch einen Zufallsgenerator oder einen für jedes Fahrzeug ande­ ren bestimmten Wert geändert werden. Dies ist dann vorteil­ haft, wenn beispielsweise auf Grund eines Meßfehlers (z.B. Radschlupf) falsche Ist-Geschwindigkeiten ermittelt werden. Dann könnte ein Sendergleichlauf auftreten, obwohl die Fahrzeuge tatsächlich unterschiedlich schnell fahren. Für den Fall, daß die Sendezeit durch die Geschwindigkeit vor­ gegeben ist, kann dann die Dauer der Empfangszeit durch ei­ nen Zufallsgenerator bestimmt werden. Dadurch wird der Sen­ dergleichlauf unterbrochen. Auch bei einem Meßfehler ist die Gefahr der Kollision gering, wenn die Differenzge­ schwindigkeit gering ist, weil viel Zeit vergeht, bis sich die Fahrzeuge gefährlich nahe kommen. Auf Grund des Zufall­ verfahrens steigt die Wahrscheinlichkeit mit der Zeit, ein Signal des vorausfahrenden Fahrzeugs zu empfangen. Die Sen­ de- und Empfangszeit soll jedoch nicht allein durch den Zu­ fallsgenerator bestimmt werden. Im wesentlichen sollen die Zeiten durch die Fahrgeschwindigkeit festgelegt sein.

Ideal ist es, den Sender des jeweils nachfolgenden Fahr­ zeugs so zu schalten, daß kein Gleichlauf mit dem voraus­ fahrenden Fahrzeug entstehen kann. Dies ist nach Anspruch 5 dann möglich, wenn das vorausfahrende Fahrzeug wenigstens einmal erkannt wurde. Dann kann das nachfolgende Fahrzeug jeweils in den Sendepausen (Empfangszeit) des vorausfahren­ den Fahrzeugs selbst senden. Das vorausfahrende Fahrzeug triggert also das folgende Fahrzeug.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbe­ sondere darin, daß die Kollision von Fahrzeugen zuverlässig verhindert wird: Der Sendergleichlauf wird durch geschwin­ digkeitsabhängige unterschiedliche Zeiten zum Senden und/ oder Empfangen abgebaut, so daß ein ausreichendes Signal zur Verhinderung der Kollision empfangen wird. Bei geringen Differenzgeschwindigkeiten wird eine Kollision auch bei falsch gemessenen Geschwindigkeiten sehr unwahrscheinlich, wenn die Wiederholzeit statistisch zufällig geändert wird. Eine beliebig große Zahl von Fahrzeugen kann teilnehmen.

Weiterhin ist von Vorteil, daß ein einmal empfangenes Fahr­ zeug zur Triggerung der Sendezeiten des nachfolgenden Fahr­ zeugs benutzt wird, so daß kein weiterer Sendergleichlauf erfolgt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in Zeichnungen dar­ gestellt und werden im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen

Fig. 1 zwei Fahrzeuge mit Sende- und Empfangsein­ richtungen,

Fig. 2 die Sendesignale der Fahrzeuge bei unterschied­ licher Geschwindigkeit,

Fig. 3 die Sendesignale der Fahrzeuge mit veränderter Dauer der Empfangszeiten und

Fig. 4 die Sendesignale der Fahrzeuge bei Erkennung des vorausfahrenden Fahrzeugs und Sendezeitenverschie­ bung.

Fig. 1 zeigt zwei nach links fahrende Fahrzeuge (1, 2) auf der Fahrbahn (3). Die Empfangs- und Sendeeinrichtungen (4, 5) nutzen nach vorn bzw. hinten gerichtete Antennen, wenn relativ große Reichweiten notwendig sind. Die Abstrahlung der Sendesignale (6, 7) erfolgt dann vorwiegend nach hin­ ten. Für geringe Reichweiten (z.B. 2 m) sind induktiv ar­ beitende Ferritantennen ohne Richtwirkung ggf. vorteilhaf­ ter. Sie verhindern auch das Auffahren in engen Kurven.

Es ist von Bedeutung, daß überwiegend nach hinten abge­ strahlt wird und/oder daß überwiegend in Fahrtrichtung emp­ fangen wird, denn es soll nur das vorausbefindliche Fahr­ zeug empfangen werden und nicht das nachfolgende. Für den Fall, daß das vorausfahrende Fahrzeug (1) das folgende Fahrzeug (2) ebenso gut oder besser empfängt als umgekehrt, könnten sich beide Fahrzeuge gegenseitig stillsetzen.

Fig. 2 stellt die Sendesignale (6, 7) der Fahrzeuge (1, 2) dar. Das vorausfahrende Fahrzeug (1) fährt beispielsweise mit 10 km/h. Die Sendezeit des Sendesignals (6) beträgt 30 msec, die Empfangszeit (8) 80 msec. Das folgende Fahrzeug (2) fährt mit 50 km/h. Das Sendesignal (7) ist 10 msec lang, die Empfangszeit (9) 100 msec. Es bleibt je nach Sy­ stemauslegung dem folgenden Fahrzeug (2) ausreichend Detek­ tionszeit (10), um das vorausfahrende Fahrzeug (1) zu er­ kennen. Vorausgesetzt ist jedoch, daß das Umschalten von Senden auf Empfang bzw. Empfang auf Senden sehr schnell passiert, und daß das Signal in ausreichender Länge empfan­ gen wurde. Brauchbar ist das Verfahren nur, wenn die Fahr­ geschwindigkeiten deutlich verschieden sind. Wenn diese Voraussetzungen nicht gegeben sind, ist es vorteilhafter, die Wiederholzeit für das folgende Fahrzeug (2) länger aus­ zulegen als für das langsamere vorausfahrende Fahrzeug (1).

Fig. 3 zeigt das Prinzip der zufälligen Änderung der Dauer der Empfangszeiten (8, 9). Beide Fahrzeuge fahren etwa gleich schnell. Wie links zu sehen, hat das nachfolgende Fahrzeug zunächst keine Empfangsmöglichkeit. Die Sendesi­ gnale (6, 7) kommen gleichzeitig. Die Dauer des Sendesi­ gnals (6) und der Empfangszeiten (8) des vorausfahrenden Fahrzeugs (1) ändern sich nicht. Die Empfangszeit (9) des folgenden Fahrzeugs (2) fällt jedoch zufällig kürzer aus. Die Sendesignale (6, 7) der beiden Fahrzeuge kommen dadurch nicht mehr gleichzeitig. Es ergibt sich eine ausreichende Detektionszeit (10) für das folgende Fahrzeug. Je nach Dau­ er der nächsten Empfangszeit (9) kann es passieren, daß beide Sendesignale (6, 7) dann jedoch wieder gleichlaufen.

Fig. 4 stellt die Sendesignale (6, 7) bei Erkennung des vorausfahrenden Fahrzeugs dar. Zunächst erscheinen jedoch beide Sendesignale (6, 7) gleichzeitig. Dann ist die Sende­ pause (9) des folgenden Fahrzeugs jedoch so kurz, daß kein weiterer Sendergleichlauf erreicht wird. Es bleibt genügend Detektionszeit (10). Mit dem Abfall des Sendesignals (6.1) des vorausfahrenden Fahrzeugs wird nach der Reaktionszeit (11) des folgenden Fahrzeugs (2) sogleich gesendet (7.1), so daß die Sendepause (9.1) des folgenden Fahrzeugs groß genug ist, um das Sendesignal (6.2) des vorausfahrenden Fahrzeugs sicher zu empfangen. Es ist vorteilhaft, wenn die Reaktionszeit (11) kürzer ist als die kürzeste Sendepause (8) des vorausfahrenden Fahrzeugs. Sonst könnte wieder ein Gleichlauf der Sender eintreten.

Claims (5)

1. Verfahren zur Aufnahme und Durchführung eines geregelten Funkbetriebs zur Kollisionsverhinderung zwischen in die gleiche Richtung fahrenden Fahrzeugen oder zwischen halten­ den und fahrenden Fahrzeugen, bestehend je Fahrzeug aus ei­ ner Sendeeinrichtung zur Abstrahlung von Signalen und einer Empfangseinrichtung zum Erfassen der Signale fremder Fahr­ zeuge und einer Steuereinrichtung zur Bestimmung der Sende- und Empfangszeit, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Signale von den Fahrzeugen bevorzugt hinten oder nach hinten abgestrahlt werden und/oder daß die Fahrzeuge bevorzugt vorn oder von vorn empfangen werden,
• - daß die Sende- und/oder Empfangszeit von der Fahrzeugge­ schwindigkeit abhängt, derart, daß bei geringer Geschwin­ digkeit die Sendezeit relativ oder absolut länger ist und/ oder die Empfangszeit relativ oder absolut kürzer ist als bei hoher Geschwindigkeit,
• - daß Sende- und Empfangseinrichtung zwar auf der gleichen Frequenz aber nicht gleichzeitig arbeiten, damit die Emp­ fangseinrichtung während der Empfangszeit nicht zu sehr durch den eigenen Sender gestört wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Sendesignale eine bestimmte konstante Amplitude haben, oder daß die Amplitude bei Fahrzeugen an Gefahren­ stellen oder Fahrzeugen, die langsam fahren, erhöht wird,
• - daß die Signalstärke des sich in Fahrtrichtung vorausbe­ findlichen Fahrzeugs von der Empfangseinrichtung des fol­ genden Fahrzeugs gemessen und als ein Maß für den Abstand zwischen den Fahrzeugen und/oder für die maximal zulässige Geschwindigkeit bewertet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Fahrzeuge ihren Standort und/oder ihre Geschwin­ digkeit kennen und den anderen Fahrzeugen durch Modulation der Sendeeinrichtung mitteilen,
• - daß die Empfangseinrichtungen die modulierten Signale fremder Fahrzeuge empfangen und auswerten,
• - daß die Fahrzeuge durch Vergleich der eigenen mit den fremden Werten den Abstand und/oder die Differenz-Ist-Ge­ schwindigkeit zum vorausbefindlichen Fahrzeug feststellen und die neue maximal zulässige Geschwindigkeit ermitteln.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß zur Verhinderung eines Gleich­ laufs der Sender die Sendezeiten und/oder Empfangszeiten außerdem auch teilweise von einem Zufallsgenerator oder nach einem festgelegten System für jedes Fahrzeug geändert werden, so daß bei etwa gleichschnellen Fahrzeugen auch ei­ ne Erkennung des vorausfahrenden Fahrzeugs erfolgt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß, sobald das jeweils nachfolgende Fahrzeug das vorausfahrende Fahrzeug erkannt hat, das nach­ folgende Fahrzeug seine Sende- und Empfangszeiten so ein­ teilt, daß es im wesentlichen dann empfängt, wenn das vor­ ausfahrende Fahrzeug sendet und dann sendet, wenn das vor­ ausfahrende Fahrzeug empfängt.