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Die
Erfindung betrifft einen Sensor zur Erfassung des Bewegungszustandes
eines Fahrzeugs relativ zu einer Bezugsfläche nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1.
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Derartige
Sensoren dienen insbesondere zur Erfassung der Bewegung eines Landfahrzeuges,
wobei die zurückgelegte
Wegstrecke, die Geschwindigkeit und die Richtung des Fahrzeugs ermittelt
werden können.
Die Ermittlung der Bewegungsdaten beruht auf einem seit langem bekannten
korrelationsoptischen Verfahren.
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Aus
der DE-32 29 343 A1 ist ein Sensor zur Erfassung von Bewegungen
relativ zu einer Bezugsfläche
für Fahrzeuge
bekannt, bei dem der jeweils erfaßte Teil der Bezugsfläche auf
eine Gitterebene abgebildet und über
Photoempfänger
erfaßt
wird. Hierbei ist die Gitterstruktur der Gitterebene als streifen- oder
matrixförmig
angeordnete Photoempfänger ausgebildet.
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Aufgrund
der statistischen Struktur der Oberfläche der Bezugsfläche, wie
sie beispielsweise bei einem Straßenbelag für ein Landfahrzeug gegeben ist,
wird nach deren Abbildung auf die gitterartig angeordneten Photoempfänger in
diesen ein elektrisches Signal erzeugt, welches neben niederfrequenten
Anteilen eine Modulation aufweist, deren Frequenz direkt proportional
zur Geschwindigkeit des Fahrzeugs ist. Neben der Frequenz ist der
Abbildungsmaßstab
des optischen Systems, der zur Geschwindigkeit umgekehrt proportional
ist, eine weitere bestimmende Größe für die Erfassung
der Geschwindigkeit, sowie die Gitterkonstante, welche zur Geschwindigkeit
direkt proportional ist.
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Nachteilig
bei dem bekannten Sensor ist, daß er aufgrund der streifen-
oder matrixförmigen
Anordnung seiner Photoelemente, welche das Gitter bilden, in Abhängigkeit
von dem Abbildungsmaßstab des
optischen Systems nur für
bestimmte Oberflächenstrukturen
der Bezugsfläche
oder für
bestimmte Geschwindigkeiten des Fahrzeugs einen störungsfreien
Betrieb gewährleistet.
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Ein
störungsfreier
Betrieb ist im wesentlichen immer dann gegeben, wenn die auf das
Gitter abgebildete Oberflächenstruktur
der Bezugsfläche
(Ortswellenlänge)
mit der Anordnung der Photoempfänger,
oder mit anderen Worten mit der Gitterkonstanten des Gitters, korreliert.
Weicht beispielsweise die auf das Gitter abgebildete Oberflächenstruktur
der Bezugsfläche
und die ihr zuzuordnende "Gitterkonstante" stark von der durch
das Photoempfängerarray vorgegebenen
Gitterkonstanten ab, so kann die Erfassung der Geschwindigkeit des
Fahrzeugs nur schlecht oder überhaupt
nicht möglich
sein. Störungen
können
sich auch bei einem sehr schnell oder sehr langsam bewegten Fahrzeug
ergeben, da durch die aufbaubedingte vorgegebene Gitterkonstate
lediglich ein Geschwindigkeitsbereich sicher erfaßt werden
kann.
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Um
diesem Nachteil zu begegnen, ist aus der DE-42 44 521 A1 ein Sensor zur Erfassung
von Bewegungen eines länglichen
Körpers
bekannt, bei dem die Gitterkonstante dadurch geändert wird, daß das Meßsignal
(Meßaufnahme)
mit einer mathematischen, dem jeweiligen Gitter entsprechenden Funktion
gefaltet wird.
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Nachteilig
bei diesem Sensor ist, daß zur mathematischen Änderung
der Gitterkonstante ein erheblicher Rechenaufwand notwendig ist,
der die Erfassung des Bewegungszustandes des länglichen Objekts bzw. des Fahrzeugs
verlangsamt. Darüber hinaus
erfordert ein derartiger Sensor auch einen erheblichen und damit
kostspieligen Schaltungsaufwand.
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Aus
der Druckschrift JP-62-112069 ist ein Gerät zur Messung der Geschwindigkeit
bekannt, bei dem das Ortsfrequenzfilter aus fotoempfindlichen Elementen
besteht, deren Abstand zueinander variabel ist. Für eine erste
Messung sollen zwei fotoelektrische Elemente ausgewählt werden,
die einen geeigneten Abstand zueinander haben. Die Signalausgänge sollen
addiert werden. In einer nachfolgenden Schaltungsanordnung soll
die Mittenfrequenz des Signals bestimmt werden. Für eine zweite
Messung soll der Abstand der fotoelektrischen Elemente entsprechend
der ermittelten Mittenfrequenz variiert werden.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, die geschilderten Nachteile zu beseitigen
und einen Sensor zu vermitteln, der unabhängig von der Beschaffenheit der
Oberfläche
der Bezugsfläche
(Ortswellenlänge) oder
der Geschwindigkeit des Fahrzeugs relativ zur Bezugsfläche eine
schnelle, einfache und trotzdem präzise Erfassung des zurückgelegten
Weges, der Geschwindigkeit und gegebenenfalls der Bewegungsrichtung
des Fahrzeugs ermöglicht.
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Die
Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Sensor zur Erfassung des
Bewegungszustands eines Fahrzeugs relativ zu einer Bezugsfläche erfindungsgemäß durch
die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Die
Erfindung betrifft ferner einen Sensor zur Erfassung von Bewegungen
eines Fahrzeugs relativ zu einer Bezugsfläche nach dem Oberbegriff des
Patentanspruchs 2.
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Diesbezüglich liegt
ihr die Aufgabe zugrunde, einen Sensor zur Erfassung von Bewegungen
eines Fahrzeugs relativ zu einer Bezugsfläche zu vermitteln, der die
gleichzeitige Messung der Bewegung eines Fahrzeugs mit Gittern unterschiedlicher
Gitterkonstante, ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Sensor mit den Merkmalen
des Oberbegriffs des Patentanspruchs 2 erfindungsgemäß durch
die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 2 gelöst.
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Vorteilhaft
ist es insbesondere, daß das
Gitter zur Erfassung der Bewegung des Fahrzeugs simultan mit mehreren,
unterschiedlichen Gitterkonstanten betreibbar ist. Hierdurch ist
eine Erfassung der Bewegungsdaten des Fahrzeugs vermittels eines einzigen
Photoempfängerarrays
mit Gittern unterschiedlicher Gitterkonstanten möglich. Die dabei aufgrund der
unterschiedlichen Gitterkonstanten gewonnenen Bewegungsdaten des
Fahrzeugs können dann
mittels eines Computers entweder verglichen, gemittelt oder in sonstiger
Weise verarbeitet werden. Durch die simultane Erfassung der Bewegungsdaten des
Fahrzeugs mit Gittern unterschiedlicher Gitterkonstanten, welche
mittels eines einzigen Photoempfängerarrays
möglich
ist, können
Störeinflüsse aufgrund
der Oberflächenbeschaffenheit
der Bezugsfläche
(Ortswellenlänge)
oder aufgrund einer beispielsweise sehr hohen oder sehr niedrigen
Geschwindigkeit des bewegten Fahrzeugs weitestgehend vermieden werden,
da immer ein Gitter mit einer zur Erfassung der Bewegungsdaten des
Fahrzeuges optimalen Gitterkonstanten vorhanden ist.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Zur Änderung
der Gitterkonstanten werden in unterschiedlichen Schaltungsanordnungen
vorteilhafterweise jeweils mehrere photoempfindliche Streifen miteinander
zu ineinander verschachtelten Gitterkämmen verschaltet. Durch die
simultane Verfügbarkeit
dieser unterschiedlichen Schaltungsanordnungen wird ein Photoempfängerarray
geschaffen, welches simultan Gitter mit unterschiedlichen Gitterkonstanten
aufweist.
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Die
nachfolgende Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dient
im Zusammenhang mit beiliegender Zeichnung der weiteren Erläuterung.
Es zeigen:
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1 schematisch
das Schaltbild einer Schaltungsanordnung zur Auswertung der durch
das Photoempfängerarray
erfaßten
Daten mittels einer ersten Gitterkonstanten;
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2 schematisch
das Schaltbild einer Schaltungsanordnung zur Auswertung der durch
das Photoempfängerarray
erfaßten
Daten mittels einer zweiten Gitterkonstanten;
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3 schematisch
das Schaltbild einer Schaltungs anordnung zur Auswertung der durch
das Photoempfängerarray
erfaßten
Daten mittels einer dritten Gitterkonstanten und
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4 schematisch
das Schaltbild einer Schaltung zur Auswertung der durch das Photoempfängerarray
erfaßten
Daten mittels dreier unterschiedlicher Gitterkonstanten.
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Wie
in 1 schematisch dargestellt, kann ein Photoempfängerarray
z. B. ein Photodiodenarray, beispielsweise aus zwölf in bekannter
Weise (vgl. die DE-32
29 343 A1) streifenförmig
angeordneten photoempfindlichen Streifen (vorzugsweise Photodioden)
bestehen. Selbstverständlich
sind die in 1 dargestellten zwölf photoempfindlichen
Streifen 2 lediglich als ein Beispiel anzusehen. Die Erfindung
ist keinesfalls auf zwölf
photoempfindliche Streifen 2 beschränkt, es können vielmehr auch mehr oder
weniger als zwölf
photoempfindliche Streifen 2 in einem Photoempfängerarray
vorgesehen sein. Die photoempfindlichen Streifen 2 bilden
zusammen ein Gitter 4.
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Wie
aus 1 ersichtlich, sind die photoempfindlichen Streifen 2 über als
Stromspannungswandler 6 geschaltete Operationsverstärker zu
dem Eingang eines Differenzverstärkers 8 geführt. Dabei führen jeweils
3 mal 2 zusammengeschaltete photoempfindliche Streifen 2 zu
einem Eingang des Differenzverstärkers 8 (im
folgenden kurz "positiver
Eingang" genannt)
und ebenfalls 3 mal 2 zusammengeschaltete photoempfindliche Streifen 2 zum
anderen Eingang des Differenzverstärkers 8 (im folgenden kurz "negativer Eingang" genannt).
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Im
Differenzverstärker 8 findet
eine Subtraktion der Signale der von den jeweils zusammengeschalteten
photoempfindlichen Streifen 2 erfaßten Signalen statt.
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Die
Zusammenschaltung der einzelnen photoempfindlichen Streifen 2 ist
schematisch durch Kästchen 10 angedeutet,
welche zur Unterscheidung der einzelnen photoempfindlichen Streifen 2 abwechselnd
mit einem "+"- oder "="-Zeichen versehen sind, je nachdem ob
der betreffende Streifen 2 mit dem positiven ("+"-Zeichen) oder negativen ("–"-Zeichen) Eingang des Differenzverstärkers 8 (über die
Stromspannungswandler 6) verschaltet ist.
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Hierbei
ist zu beachten, daß beim
tatsächlichen
Aufbau des Photodiodenarrays aufgrund der Verschaltung die mit "+"-Zeichen versehenen photoempfindlichen
Streifen 2 einen Gitterkamm bilden, der in an sich bekannter
Weise (vgl. die DE-32 29 343 A1) in einen zweiten Gitterkamm eingreift,
welcher durch die mit "–"-Zeichen gekennzeichneten
und miteinander verschalteten photoempfindlichen Streifen gebildet
ist. Ein derartiger Aufbau ermöglicht
die Bestimmung der Geschwindigkeit und des zurückgelegten Weges.
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Zur
Richtungserkennung der Bewegung des Fahrzeugs werden vorteilhafterweise
die Streifen 2 so miteinander verschaltet, daß sich vier
ineinandergeschachtelte Gitterkämme
ergeben, wobei die Ausgangssignale des ersten und dritten Gitterkammes und
des zweiten und vierten Gitterkammes voneinander subtrahiert werden.
Die resultierende Phasenverschiebung der Differenzsignale bildet
sodann ein Maß für die Bewegungsrichtung
des Fahrzeugs. Eine derartige Schaltungsanordnung ist in 1 schematisch
durch weitere Kästchen 11 angedeutet.
Detailliert ist eine solche Anordnung von ineinandergeschalteten
Gitterkämme
sowie die Auswertung der empfangenen Signale in der bereits oben
erwähnten DE-32
29 343 A1 beschrieben.
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In 2 ist
schematisch eine Verschaltung von 4 mal 3 jeweils nebeneinanderliegenden
photoempfindlichen Streifen 2 dargestellt, welche wiederum
durch die mit "+"- und "–"-Zeichen versehenen Kästchen 12 angedeutet
ist. Hierbei führen
wiederum sämtliche
photoempfindliche Streifen 2, die durch Kästchen 12 mit "+"-Zeichen zusammengefaßt sind, über Stromspannungswandler 6 zum
positiven Eingang des Differenzverstärkers 8, wohingegen
sämtliche
photoempfindliche Streifen 2, welche durch Kästchen 12 mit "–"-Zeichen gekennzeichnet sind, entsprechend
zum negativen Eingang des Differenzverstärkers 8 führen. Es
erfolgt auch in diesem Fall eine Differenzbildung der Signale, welche
durch die entsprechenden photoempfindlichen Streifen 2 erfaßt werden.
Auch in diesem Falle ist die Verschal tung der Streifen 2 derart
ausgeführt,
daß die
beiden durch "+"- und "="-Zeichen gekennzeichneten Gitterkämme ineinander
verschachtelt sind.
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Im
Unterschied zu der in 1 dargestellten Schaltung sind
jedoch bei der Schaltung in 2 jeweils
drei nebeneinanderliegende photoempfindliche Streifen 2 zusammengeschaltet,
die dem ersten Gitter zuzuordnen sind. Auf diese folgen wiederum
drei zusammengeschaltete photoempfindliche Streifen 2, die
jedoch zum zweiten Gitter gehören,
und daraufhin wiederum drei photoempfindliche Streifen, die mit den
zuerst genannten drei photoempfindlichen Streifen zusammengeschaltet
sind und so fort.
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Auf
diese Weise ergibt sich durch Ausbildung breiterer photoempfindlicher
Bereiche des Gitterkammes 4, welche durch die Zusammenschaltung
mehrerer nebenein anderliegender photoempfindlicher Streifen 2 hervorgerufen
wird, eine größere Gitterkonstante
jeweils eines Gitterkammes und in Folge davon auch des gesamten
Gitters 4.
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Dieses
läßt sich
abhängig
von der Gesamtzahl der photoempfindlichen Streifen 2 beliebig
fortsetzen, so sind bei der in 3 dargestellten
Schaltungsanordnung jeweils 2 mal 6 photoempfindliche Streifen 2 zusammengeschaltet
und bilden jeweils zwei ineinander verschaltete Gitterkämme. Hierbei folgen
sechs zusammengeschalteten photoempfindlichen Streifen 2,
welche wiederum durch ein Käst chen 13 mit
einem "+"-Zeichen veranschaulicht
sind und über
Strom-Spannungs-Wandler 6 zum positiven Eingang des Differenzverstärkers 8 führen, sechs weitere
nebeneinanderliegende zusammengeschaltete photoempfindliche Streifen 2,
welche durch ein Kästchen 13 mit "–"-Zeichen gekennzeichnet sind und entsprechend
zum negativen Eingang des Differenzverstärkers 8 führen.
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Bei
mehr als den dargestellten zwölf
photoempfindlichen Streifen 2 läßt sich auf die oben dargestellte
Weise durch Zusammenschalten jeweils mehrerer photo empfindlicher
Streifen 2 eine weitere Vergrößerung der Gitterkonstanten
erzielen.
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Zu
beachten bei allen diesen Schaltungsanordnungen ist, daß die Verschaltung
der Streifen 2 derart ausgeführt ist, daß jeweils ineinander verschachtelte
Gitterkämme
zur Erfassung der Bewegung des Fahrzeugs vorhanden sind. Hierbei
ist es auch möglich,
wie oben erwähnt,
vier Gitterkämme ineinanderzuschachteln
und so auch die Richtung der Bewegung des Fahrzeugs zu detektieren.
Auch in diesem Fall kann durch Zusammenschaltung mehrerer photoempfindlicher
Streifen 2, welche so gewissermaßen neue, breitere photoempfindliche
Streifen 2 bilden, eine Vergrößerung der Gitterkonstanten
erzielt werden.
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Die
in 1 bis 3 dargestellten Schaltungen können nun,
wie in 4 dargestellt, bei einer konkreten Ausführungsform
des Sensors alle simultan vorhanden sein, so daß ein einziger Sensor unterschiedliche
Gitterkonstanten aufweist. Hierbei ist eine Verschaltung der Streifen 2,
die der in 1 dargestellten entspricht, in 4 schematisch
mit A bezeichnet. Sie führt
zu einem ersten, ebenfalls mit A bezeichneten Ausgang der gesamten
Schaltung. Entsprechend führt
eine mit B bezeichnete Verschaltung der Streifen 2, wie
sie einer in 2 dargestellten Verschaltung
der Streifen 2 entspricht, zu einem weiteren Ausgang B
der Schaltung. Und schließlich führt eine
mit C bezeichnete Verschaltung der Streifen 2, entsprechend
einer in 3 dargestellten Verschaltung der Streifen 2,
zu einem dritten Ausgang C der gesamten Schaltung.
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Abhängig von
den Randbedingungen der Erfas sung der Bewegung des Fahrzeugs (Geschwindigkeit,
Oberflächenstruktur
der Bezugsfläche),
kann beispielsweise nun zwischen den verschiedenen Ausgängen A,
B, C und damit zwischen den unterschiedlichen Gitterkonstanten elektronisch
umgeschaltet werden, so daß die
jeweilige Gitterkonstante einer optimalen Erfassung der Bewegungsdaten
des Fahrzeugs angepaßt
werden kann. Eine andere Möglichkeit
besteht auch darin (nicht dargestellte) Umschalter bereits zwischen
den Strom-Spannungswandlern 6 und dem Differenzverstärker 8 vorzusehen.
In diesem Falle ist lediglich ein einziger Differenzverstärker 8 erforderlich.
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Allerdings
ist im Falle der Umschaltung der Gitterkonstanten eine simultane
Auswertung der bei den verschiedenen Gitterkonstanten erfaßten Bewegungsdaten
nicht möglich.
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Eine
solche simultane Auswertung der Bewegungsdaten mittels mehrerer
unterschiedlicher Gitterkon stanten ist besonders vorteilhaft. Sie
läßt sich
dadurch erreichen, daß die
Daten der Bewegung des Fahrzeugs bei sämtlichen verfügbaren Gitterkonstanten
erfaßt
wird. Die ermittelten und simultan an den Ausgängen A, B und C ausgegebenen
Daten können
daraufhin beispielsweise durch einen (nicht dargestellten) Computer
verglichen, gemittelt oder in sonstiger Weise verarbeitet werden.
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In
jedem Falle wird die Präzision
der Erfassung der Bewegungsdaten eines auf einem beliebigen Grund
bewegten Fahrzeugs aufgrund der simultan erfaßten Daten mittels verschiedener
Gitterkonstanten wesentlich erhöht.
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Von
besonderem Vorteil ist es auch, daß die gesamte oben dargestellte
Anordnung aus dem Photoempfängerarray
und sämtlichen
möglichen
Schaltungsanordnungen auf einem einzigen Halbleiterchip angeordnet
werden kann. Auf diese Weise ergibt sich ein besonders kompakter
Aufbau des Sensors, er läßt sich
darüber
hinaus auch einfach und recht kostengünstig herstellen.