DE4210214A1 - Anordnung von Sensoriken zur Analyse von Bewegungszuständen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung von Sensoriken zur Analyse von Bewegungszuständen von Objekten gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 nach DBP . . . (Deutsche Patentanmeldung P 40 32 550.4).

Die Erfindung der genannten Art wird u. a. in den Berei­ chen eingesetzt, wo Bewegungszustände erkannt werden sol­ len. Daher wird die erfindungsgemäße Sensorik beispiels­ weise im Bereich der Meßtechnik, der Kfz-Technik und der allgemeinen Kontrolltechnik eingesetzt.

Bei der Sensorik zur Analyse von Schwingungen gemäß dem Hauptpatent handelt es sich um eine Kugel, die von vier, sie tangierenden, in den Spitzen eines Tetraeders ange­ ordneten Drucksensoren (im weiteren Sensorelemente ge­ nannt), welche die Kugel zentrisch halten, umgeben ist. Diese Anordnung befindet sich in einem sie umgebenden Ge­ häuse.

Erfolgt eine Bewegung dieser Anordnung, so ergibt sich eine Kraftänderung auf die einzelnen Sensorelemente, wel­ che nach Maßgabe der Kraftänderung ein Ausgangssignal ab­ geben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Anordnung zu schaffen, mittels der in möglichst kurzer Zeit die momen­ tane Bewegung und Ausrichtung eines sich bewegenden Objek­ tes gegenüber einem Bezugssystem ermittelt werden kann.

Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe ist in dem Patent­ anspruch 1 beschrieben. In den Unteransprüchen sind vor­ teilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung aufge­ führt.

Der erfindungsgemäße Lösungsgedanke besteht darin, daß mehrere Sensoriken nach dem Hauptpatent jeweils gemeinsam mit einer Auswerteeinheit in einem Sensorgehäuse unterge­ bracht sind und jeweils einen intelligenten Sensor bilden, wobei mindestens zwei dieser intelligenten Sensoren an verschiedenen Orten des Objektes montiert sind und auf eine zentrale Auswerteeinheit mit Steuereinrichtung ge­ schaltet sind.

Ein jedes Sensorelement des intelligenten Sensors regi­ striert hierbei beispielweise die Beschleunigung und Nei­ gung des Objektes bezüglich seines Ausbildungspunktes. Diese Information wird von jedem intelligenten Sensor an die zentrale Auswerteeinheit mit Steuereinrichtung über­ mittelt, in der ein Gesamtbild des momentanen Fahrzeugzu­ standes hinsichtlich der gemessenen Meßwerte entsteht. Dieses in der zentralen Auswerteeinheit mit Steuereinrich­ tung entstandene Gesamtbild kann in der Steuereinrichtung der zentralen Auswerteeinheit mit Steuereinrichtung zu Re­ gelabläufen des Objektes führen.

Die erfindungsgemäße Anordnung ist beschleunigungsfest, da ihre einzelnen Komponenten fixiert sind, hochminiaturi­ siert bzw. hochintegriert herstellbar auf Grund der heute üblichen Fertigungstechniken in SMD-Technik, sowie einfach und preiswert herstellbar, witterungsbeständig und war­ tungsfreundlich.

Im folgenden wird die Erfindung exemplarisch anhand von Fig. 1 bis Fig. 3 näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schnittbild durch eine besonders vorteilhafte Ausführungsform eines intelligenten Sensors nach der erfindungsgemäßen Anordnung;

Fig. 2 eine schematische Darstellung des intelligenten Sensors nach Fig. 1;

Fig. 3 eine Anordnung mehrerer intelligenter Sensoren in einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungs­ gemäßen Anordnung in (an) einem sich bewegenden Objekt, mit darin (daran) an unterschiedlichen Steilen am Objekt angebrachten intelligenten Sen­ soren.

Fig. 1 zeigt ein Schnittbild durch eine besonders vorteil­ hafte Ausführungsform eines intelligenten Sensors der er­ findungsgemäßen Anordnung. Er besteht aus der Sensorik zur Analyse von Schwingungen 40 gemäß dem Hauptpatent, beste­ hend aus einer Kugel 404, die von vier Sensorelementen 401 umgeben ist, welche an den Spitzen eines Tetraeders ange­ ordnet sind und von denen zwei in der Figur gezeigt sind. Die signalführenden Leitungen dieser Sensorelemente 401 sind auf eine Platine 2 geführt und dort mit ihr verlötet. Auf der Platine 2 ist eine Auswerteeinheit 21 ausgebildet; optional kann eine dezentrale Stromversorgung 22 (nicht gezeigt) vorgesehen werden. In Fig. 1 ist die Auswerteein­ heit 21 durch einige ihrer Bauelemente symbolisch angedeu­ tet.

Die Sensorik 40, die Platine 2, die Auswerteeinheit 21 so­ wie gegebenenfalls die (optionale) dezentrale Stromversor­ gung sind in einem gemeinsamen gekapselten Sensorgehäuse 41 integriert und bilden zusammen den intelligenten Sen­ sor.

Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung des intelligen­ ten Sensors nach Fig. 1, bestehend aus der Sensorik 40 mit ihren um eine Kugel 404 (gestrichelt gezeichnet) angeord­ neten und diese tangierenden vier in den Spitzen eines Te­ traeders angeordneten Sensorelemente, die auf die Auswer­ teeinheit 21 aufgeschaltet sind. Die Sensorelemente be­ stehen dabei jeweils aus einem Signalaufnehmer 402 und ei­ nem Signalverstärker 403.

Die signalauslösende Kugel 404 der Sensorik 40 ist durch die vier feststehend gelagerten Sensorelemente 401 fixiert, von denen vorzugsweise ein Sensorelement mit einem einen gleichmäßigen Druck bewirkenden Element, z. B. einer Feder 7, ausgebildet ist, so daß auf die Kugel 404 in ihrem Ruhezustand ein gleichmäßiger Druck, hervorgerufen durch alle Sensorenelemente, wirkt. Die Feder 7 ist hier­ bei konzentrisch zu der Achse angeordnet, die zum einen durch den Kugelmittelpunkt und zum anderen durch den Auf­ lagepunkt desjenigen Sensorelementes 401 auf der Kugel 404 verläuft, an dem die Feder 7 ausgebildet ist.

Die mechanische Kontaktierung der der Kugel 404 zugewand­ ten Fläche der Signalaufnehmer 402 erfolgt vorzugsweise durch ein flexibles, filmähnliches, metallisiertes Dielek­ trikum, das auf der der Kugel 404 zugewandten Seite nicht metallisiert ist. Alternativ hierzu kann die Kugel 404 selbst zumindest an der Oberfläche nicht metallisiert sein.

Die Auswerteeinheit 21 ist direkt auf eine (nicht ge­ zeigte) zentrale Auswerteeinheit mit Steuereinrichtung ge­ schaltet.

In der Auswerteeinheit bzw. der zentralen Auswerteeinheit mit Steuereinrichtung werden die durch die Sensorenele­ mente ermittelten Meßwerte ausgewertet.

Fig. 3 zeigt eine Anordnung mehrerer intelligenter Senso­ ren in einem Objekt in bzw. an einem sich bewegenden Ob­ jekt. Bei diesem Objekt handelt es sich z. B. um ein Fahr­ zeug. Ein erster und zweiter intelligenter Sensor 11 und 12 sind an bzw. auf einer Fahrzeugachse, vorzugsweise auf einer Vorderachse des Fahrzeuges 3 fixiert. Auf einer an­ deren Fahrzeugachse 1, vorzugsweise einer Hinterachse des Fahrzeugs 3 ist ein dritter intelligenter Sensor 13 fixiert. Der erste, zweite und dritte intelligente Sensor 11, 12, 13 sind auf eine zentrale Auswerteeinheit mit Steuereinrichtung 20 aufgeschaltet.

Hierdurch können folgende Beschleunigungen und Vorgänge gemessen werden:

Mittels der Anordnung von Sensoriken mit dem ersten, zwei­ ten und dritten intelligenten Sensor 11, 12 und 13 auf der Vorderachse und Hinterachse des Fahrzeugs 3 können Ände­ rungen der Beschleunigungswerte in

• - Fahrzeuglängsachse (x)
• - Fahrzeugquerachse (y)
• - Fahrzeughochachse (z)

ermittelt werden. Hieraus können in der zentralen Aus­ werteeinheit 20 Rückschlüsse gezogen werden auf z. B. die Beschleunigungs- und Bremsvorgänge, den Beladungszustand, auf die Zündung/Treibstoffzuführung, auf Bodenhaftung, Ge­ schwindigkeit, Untergrund, Eintauchtiefe der Federung, Ra­ dialbeschleunigungen, Nickbewegungen innerhalb der Fahr­ zeuggeometrie, auf Beladungszustandsänderungen während der Fahrt, auf Steigungs-/Gefälleänderungen sowie auf die Stoßdämpfer/ Federbelastung.

Bei Fahrzeugstillstand erfolgt in der Auswerteeinheit des ersten (zweiten (dritten)) intelligenten Sensors 11 (12 (13)) eine selbständige Kalibrierung des jeweiligen intel­ ligenten Sensors und eine laufende Überwachung, da die Einzelsignalgrößen einander entsprechen müssen. Diese Ka­ librierung bzw. Überwachung wird wie folgt durchgeführt.

Gemessen wird der statische Druck auf die einzelnen Senso­ ren, bewirkt durch die Masse der Kugel und die aus dem Druck der Feder auf die Sensoren gleichmäßig wirkende Kraft. Diese Werte bewirken in Ruhestellung eine gegensei­ tige Aufhebung der Potentiale und werden als Kalibrierung übernommen.

Das bedeutet, daß aufgrund einer Beschleunigung richtungs­ abhängig sowohl negative als auch positive Ausgangssignal- Spannungen an den einzelnen Sensorelementen auftreten kön­ nen.

Es werden bei der Fahrt sowohl Längs- und Querbeschleuni­ gungen als auch radiale Beschleunigungen, beispielsweise bezogen auf einen Fahrzeugmittelpunkt als Folge von Be­ schleunigungs- und Bremsvorgängen gemessen.

Durch den Einbau der erfindungsgemäßen Anordnung von Sen­ soriken zur Analyse von Bewegungszuständen in Fahrzeugen kann beispielsweise auch die Funktion eines Anti-Blockier­ systems (ABS) optimiert werden, da die Beschleunigungen des Fahrzeugs zeitgleich während des Bremsvorgangs gemes­ sen werden und unmittelbar zur Regelung des Systems einge­ setzt werden können.

Gleichzeitig besteht die Möglichkeit, in Verbindung mit einem Gefahrenrechner die Regelung des Bremsvorgangs, be­ zogen auf das einzelne Rad bzw. auf die Aufstandspunkte der einzelnen Fahrzeugachse, und den vorgesehenen, vom Fahrer gewollten Lenkwinkel zu optimieren (unter den Auf­ standspunkten versteht man die Punkte, an denen das fest mit der Trägerplattform verbundene Fahrgestell gegen die einzelnen Radlagerungen abgestützt ist).

Durch die Kombination des ersten, zweiten, dritten intel­ ligenten Sensors auf einer gemeinsamen Trägerplattform entsteht in einer alternativen Ausführungsform in bezug auf Fig. 3 ein kompakter Differentialsensor. Dieser funktioniert prinzipiell in Verbindung mit der zentralen Auswerteschaltung mit Steuereinrichtung genauso wie die Anordnung nach Fig. 3 und erlaubt dadurch eine richtungs­ selektive Zuordnung der Beschleunigungswerte und damit eine richtungsselektive Zuordnung der Bewegungen des Sensorträgers. Die Trägerplattform besteht z. B. aus einem Blech, auf das die intelligenten Sensoren in den Ecken eines gedachten vorzugsweise horizontalen Dreieckes ange­ ordnet sind und auf welche die außerhalb der Trägerplatt­ form befindliche zentrale Auswerte- und Steuereinheit auf­ geschaltet ist. Die Trägerplattform kann beispielsweise im Motorraum des Fahrzeuges angeordnet werden.

Die zentrale Auswertung der Meßsignale der in einem ge­ dachten Dreieck auf der Trägerplattform angeordneten in­ telligenten Sensoren in der zentralen Auswerte- und Steuereinheit ermöglicht die Messung folgender Größen der Fahrzeugbewegungen:

• - Längsbeschleunigung, und zwar durch die Auswertung des in der Längsachse des Fahrzeuges wirkenden Drucks der Ku­ geln der einzelnen intelligenten Sensoren auf die jeweili­ gen Sensorelemente;
• - Querbeschleunigung, und zwar durch die Auswertung des in der Querachse des Fahrzeuges wirkenden Drucks der Kugeln der einzelnen intelligenten Sensoren auf die jeweiligen Sensorelemente;
• - Quer-Nickbewegung, und zwar durch die Auswertung der Druckdifferenzen, die sich dadurch ergeben, daß die Kugeln der einzelnen intelligenten Sensoren auf die zugehörigen Sensorelemente in Richtung der Querachse unterschiedlichen Druck ausüben.
• - Längs-Nickbewegung, und zwar durch die Auswertung der Druckdifferenzen, die sich dadurch ergeben, daß die Kugeln der einzelnen intelligenten Sensoren auf die zugehörigen Sensorelemente in Richtung der Längsachse unterschiedli­ chen Druck ausüben.

Bei einem starren Aufbau der Trägerplattform genügen auch zwei in den Aufstandspunkten diagonal angeordnete intelli­ gente Sensoren zur Messung dieser Werte.

Da Fahrzeugchassis heutzutage in der Regel selbsttragende und damit elastische, in sich federnde Konstruktionen sind, ist eine sichere reproduzierbare Messung mit vor­ zugsweise drei intelligenten Sensoren gewährleistet, die z. B. im Vorderfrontbereich des Fahrzeugs außen und im Heckbereich Mitte eingebaut sind.

Die erfindungsgemäße Anordnung ist spielfrei, so daß nur die Differenzen der Signalgrößen ausgewertet werden. Hier­ durch besteht die Möglichkeit, aus der Anordnung die Funk­ tionen eines Kurzzeitkreisels abzuleiten. Dies geschieht auf folgende Art und Weise: nach Kalibrierung werden die gemessenen Beschleunigungswerte nach Größe und Zeit ausge­ wertet und in Wegstrecken umgerechnet. Die sich daraus er­ gebenden Datensätze werden mit anderen, in einem Speicher vorhandenen Datensätzen verglichen und daraus die zurück­ gelegte Wegstrecke und der augenblickliche Standort des Fahrzeuges errechnet. Mit der Anordnung können auch neue, nicht im Datenspeicher vorhandene Wegstrecken mit ihrer Charakteristik durch einfaches Befahren erfaßt und im Da­ tenspeicher abgespeichert werden.

Nach dem Stand der kartographischen Erfassung der Ver­ kehrswege auf Datenträger können die Ergebnisse der Be­ schleunigungsmessungen auch zur Ortsbestimmung nach Ab­ gleich mit den Wegstrecken-Datensätzen der Straßen heran­ gezogen werden, da die Beschleunigungswerte beim Straßen­ wechsel (Abbiegen) signifikante Meßgrößen sind. Stör­ größen, hervorgerufen durch Straßenneigungen, Bodenwellen, Spurwechsel usw. werden wie folgt kompensiert bzw. heraus­ geregelt.

Die Beschaltung der einzelnen intelligenten Sensoren ist aufgrund der Polarität so ausgeführt, daß einander ent­ sprechende Signale sich gegenseitig kompensieren und da­ durch die Anzahl der Meßgrößen und damit auch die Auswer­ tezeit reduziert werden. Die Selektion von derartigen Störgrößen erfolgt durch die Aufteilung und Filterung der Signale und den Vergleich einzelner Signaturcharakteristi­ ken mit im Datenspeicher vorhandenen empirisch ermittelten Signaturen.

Insofern die intelligenten Sensoren durch Überschreitung eines vordefinierten Schwellwertes erkennen, daß z. B. ein schlechter Straßenzustand oder eine andere Störgröße vor­ liegt, wird die jeweilige empfangene Radarsignatur entwe­ der nicht zur weiteren Auswertung in der zentralen Auswer­ teeinheit herangezogen oder einer Fehlertoleranzbetrach­ tung unterworfen, wobei Meßwerte die außerhalb eines vor­ definierten Fehlertoleranzgrenzwertes liegen nicht zur Auswertung herangezogen werden.

Claims (6)

1. Anordnung von Sensoriken zur Analyse von Bewegungszu­ ständen von Objekten, unter Verwendung von Sensoriken, je­ weils bestehend aus einer Kugel, die von vier, sie tangie­ renden an den Spitzen eines Tetraeders angeordneten Senso­ relementen zentrisch gehalten ist und von einem Gehäuse umgeben ist nach Patent DBP . . . (Deutsche Patentanmeldung P 40 32 550.4), dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Sensoriken (40) jeweils gemeinsam mit einer Auswerteeinheit (21) in einem Sensorgehäuse (41) untergebracht sind und jeweils einen intelligenten Sensor bilden;
• - mindestens zwei dieser intelligenten Sensoren an verschiedenen Orten des Objektes montiert sind und auf eine zentrale Auswerteeinheit mit Steuerein­ richtung (20) geschaltet sind.

2. Anordnung von Sensoriken nach Patentanspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß einer der Sensorelemente (401) derart ausgebildet ist, daß eine Feder (7) konzentrisch zur Achse, die durch den Auflagepunkt dieses Sensorelemen­ tes (401) auf der Oberfläche der Kugel einerseits und den Kugelmittelpunkt andererseits verläuft, gegen die Kugel (404) drückt.

3. Anordnung von Sensoriken nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Kontaktierung der der Kugel (404) zugewandten Sensorelementoberfläche durch ein vorzugsweise flexibles, filmähnliches, metalli­ siertes Dielektrikum erfolgt, das auf der der Kugel (40) zugewandten Seite nicht metallisiert ist.

4. Anordnung von Sensoriken nach einem der vorherigen Pa­ tentansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß drei dieser in­ telligenten Sensoren (11, 12, 13) in und/oder an dem Ob­ jekt, vorzugsweise einem Fahrzeug (3) montiert sind.

5. Anordnung von Sensoriken nach Patentanspruch 4, da­ durch gekennzeichnet, daß der erste und zweite intelli­ gente Sensor (11 und 12) auf einer Fahrzeugachse, vorzugs­ weise der Vorderachse des Fahrzeuges (3) fixiert und auf einer anderen Fahrzeugachse, vorzugsweise der Hinterachse des Fahrzeugs (3) der dritte intelligente Sensor (13) fixiert ist.

6. Anordnung von Sensoriken nach einem der Patentansprü­ che 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere der in­ telligenten Sensoren auf einer gemeinsamen Trägerplattform montiert sind.