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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Identifizierung der Störung anderer
Lichtquellen beim Einsatz eines linearen optischen Abtasters eines
Goniometers von einem Typ, der zum Messen der Winkel von Kraftfahrzeugrädern benutzt
wird. Bei diesem Typ von Abtaster hat das Lichtsignal seinen Ursprung in
einem Lichtbündel,
welches in einer vorgegebenen Richtung verläuft, von der aus ein zu messender
Winkel bestimmt werden kann – der
Winkel zwischen der Richtung des Lichtbündels und der Bezugsachse des Goniometers,
welche lotrecht zu dem linearen optischen Abtaster verläuft. Der
Abtaster besteht üblicherweise
aus einer Vielzahl von aneinander grenzenden und in einer Linie
ausgerichteten lichtempfindlichen Elementen, mithilfe deren ein „Bild" der Lichtquelle
erfasst werden kann, das aus der geordneten Menge der Stärken einfallender
Strahlungen besteht, welche von den lichtempfindlichen Elementen
registriert werden. Das Maß des
Winkels ist eine direkte Funktion des Abstands jenes Bildes vom Messungsursprung
in Längsrichtung,
wobei der Ursprung durch die Überschneidung
der Bezugsachse mit der Längsachse
des Abtasters definiert ist.
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Daher
kann durch die Messung dieses Abstands anhand der geometrischen
Eigenschaften des Systems auf einfache und genaue Weise der Winkel
bestimmt werden.
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Es
ist offensichtlich, dass eine korrekte Messung abhängig ist
von der Fähigkeit
des Empfangsgeräts
(welches den Abtaster umfasst), das „richtige" Signal, d. h. das zum Messen des Winkels
geeignete Lichtbündel,
zu identifizieren und es von anderen (Störung) Lichtsignals zu unterscheiden,
die unvermeidlicherweise in der Umgebung vorhanden sind, in welcher
Goniometer zum Messen der Winkel von Kraftfahrzeugrädern eingesetzt
werden.
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Bei
bekannten Geräten
wird die Immunität gegen
diese Störung,
also die Fähigkeit,
das zum Messen des Radwinkels erforderliche Lichtbündel von
allen anderen in der Umwelt vorhandenen Lichtbündeln zu unterscheiden, mithilfe
eines Verfahrens erzielt, bei dem vom Empfänger mindestens zwei „Bilder" zu zwei verschiedenen
Zeitpunkten empfangen werden, welche durch zwei unterschiedliche
Bedingungen des Zustands der Quelle gekennzeichnet sind, von der
das Lichtbündel erzeugt
wird, welches das für
die Messung zu verwendende Signal hervorbringt. Mit anderen Worten
erfolgt eine Ablesung, wenn die Lichtquelle eingeschaltet ist (so
dass die Messung durch den Abtaster gesichert ist), und eine weitere
Messung, wenn die Lichtquelle ausgeschaltet ist (so dass das relevante
Lichtbündel
nicht empfangen wird und nicht in dem entsprechenden „Bild" enthalten ist).
Damit dies möglich
ist, muss der Zustand der Lichtquelle (ein- oder ausgeschaltet) mit der Erfassung
der beiden entsprechenden Bilder synchronisiert werden. Die Identifizierung
des Bildes jenes Lichtsignals, welches zur Durchführung der Messung
durch den Abtaster verwendbar ist, erfolgt über eine Steuereinheit, die
einen Vergleichsprozess durch Subtraktion der beiden unter den oben
beschriebenen Bedingungen erfassten „Bilder" durchführt.
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Der
Hauptnachteil der aus dem Stand der Technik bekannten Produkte liegt
in der Tatsache, dass es notwendig ist, irgendeine Art von Verbindung zwischen
der Quelle und dem Empfänger
herzustellen, um sicherzustellen, dass die einzelnen erfassten Bilder
ordnungsgemäß zugeordnet
werden. Dies macht den Einsatz spezieller Mittel erforderlich, welche
eine gewisse konstruktionstechnische Komplikation der für Kraftfahrzeugräder eingesetzten
Winkelmessgeräte
zur Folge haben.
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Andere
Verfahren (von begrenzter Anzahl) zur Ausgrenzung der in der Umwelt
vorhandenen Störung
kombinieren Lichtquellen, die durch besondere Eigenschaften des
ausgestrahlten Lichtes gekennzeichnet sind, mit optischen Filtern,
die vor dem Abtaster positioniert werden.
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Diese
Geräte
haben den Nachteil, dass sie nur dann in der Lage sind, korrekt
zu funktionieren, wenn die Umweltstörung keine Merkmale umfassen, die
mit denen des von der Quelle ausgestrahlten Lichtes identisch bzw.
diesen ähnlich
sind.
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Bei
einem anderen Verfahren, das aus der Patentschrift US5608528 bekannt
ist, wird ein Lichtbündel
mit einer gegebenen Wellenform intensitätsmoduliert und anschließend von
einer Objektlichtquelle ausgestrahlt. Ein Bildsensor erfasst ein
Bild der Lichtquelle und speichert die entsprechenden Bilddaten
pro Pixel. Anschließend
wird mindestens vier Mal hintereinander auf den Bildsensor zugegriffen,
um die Bilddaten pro Pixel abzulesen um zeitsequentielle Daten zu
bilden. Daraufhin erfolgt eine Skalarproduktberechnung der zeitsequentiellen
Daten, wobei eine Bezugswellenform verwendet wird, die asynchron
zur periodischen Wellenform ist, während sie eine Periode aufweist,
die relativ nah an der Periode der periodischen Wellenform ist,
um erste Skalardaten herzuleiten. Es wird eine weitere Skalarproduktberechnung
der zeitsequentiellen Daten durchgeführt, wobei eine rechteckige
Wellenform verwendet wird, um zweite Skalardaten herzuleiten. Schließlich wird
eine Bildverarbeitung durchgeführt, wobei
die ersten und zweiten Skalardaten verwendet werden, um eine Position
der Lichtquelle zu bestimmen. Die Patentschrift US4898464 offenbart
einen zentralen Mikrocomputer, der den Laser ein- und ausschaltet,
während
Einzelmikrocomputer entsprechende Datensätze speichern und entsprechenden Ausgangssignale
erzeugen, die Indikativ sind für
den Auftreffpunkt jedes Laserbündels
auf den entsprechenden Arrays, wobei die Signale durch die Wirkungen
von Umgebungslicht, Detektorvorspannung und Ähnlichem kompensiert werden.
Ein weiteres Verfahren ist aus der Patentschrift US5519489 bekannt. Dieses
Dokument offenbart ein Verfahren, bei dem Sensoren paarweise arbeiten
und wo ein besonderes Synchronisationsschema sicherstellt, dass
die Emitter eines Sensors nicht zur gleichen Zeit Strahlung aussenden
wie die Emitter des anderen Sensors, um zu bestimmen, welcher Emitter
des Paars, das einem Sensor entspricht, jeweils Strahlung aussendet.
Reflexionen der Emitter von nahe gelegenen Oberflächen werden
unterschieden von direkten. Übertragungen,
so dass der Einfallswinkel präzise
bestimmt wird.
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Die
grundlegende Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile
und Mängel
des Stands der Technik zu überwinden.
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Ein
Vorteil der Erfindung liegt in ihrer allgemeinen Einfachheit.
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Die
genannten Ziele und Vorteile werden sämtlich – neben weiteren – durch
die vorliegende, in den nachstehenden Patentansprüchen definierte
Erfindung erzielt.
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Weitere
Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
detaillierten Beschreibung einer bevorzugten, aber nicht ausschließlichen
Ausführungsform
der Erfindung, die rein beispielhaft in den beigefügten Figuren
veranschaulicht wird. Es zeigen:
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1 eine
schematische Draufsicht eines am Rad eines Fahrzeugs angebrachten
Messsensors;
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2 ein
Diagramm eines in den Sensor von 1 integrierten
Goniometers;
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3 ein
schematisches Diagramm von Kurven, die die Zustandsbedingungen von
Empfänger
und Lichtquelle abbilden;
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4 Kurven
bezüglich
des vom linearen Abtaster erzeugten Bildes, des abgetasteten Signals und
des den Abtaster regulierenden Signals.
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In
den genannten Figuren stellt 1 einen Messsensor in seiner
Ganzheit dar, welcher fest an der Felge eines Kraftfahrzeugrads 2 angeschlossen ist,
um die charakteristischen Winkel desselben zu bestimmen. Der Sensor 1 umfasst
zwei optische Goniometer 3 und 4, die mit entsprechenden
optischen Goniometern von drei anderen Messsensoren in Beziehung
stehen, welche an den übrigen
Fahrzeugrädern
montiert sind.
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Jedes
optische Goniometer besteht schematisch aus einem linearen optischen
Abtaster 5, der eine Linie aus lichtempfindlichen Elementen 6 sowie eine
optische Vorrichtung 7 umfasst, welche die Aufgabe hat,
ein Lichtbündel 8 auf
den linearen Abtaster 5 in der Richtung zu lenken, anhand
deren die Winkelmessung durchgeführt
wird. In dem abgebildeten Beispiel hat das Lichtbündel 8 seinen
Ursprung in einer Lichtquelle, die mit dem Messsensor verbunden ist,
welcher an einem der beiden benachbarten Räder des mit dem Messsensor 1 versehenen
Rades montiert ist.
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Bei
dem gemessenen Winkel handelt es sich um den Winkel zwischen der
Richtung des Lichtbündels 8 und
der Bezugsachse 9 des Goniometers, welche als die Achse
der optischen Vorrichtung 7 definiert ist, die lotrecht
zum linearen Abtaster 5 und durch seinen Mittelpunkt verläuft (Mittelpunkt
der Linie aus lichtempfindlichen Elementen 6).
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Durch
die Vielzahl von lichtempfindlichen Elementen, die den linearen
Abtaster 5 bilden, wird ein „Bild" des Lichtsignals erfasst, dass sich
aus der geordneten Menge der einfallenden Strahlungsstärken zusammensetzt,
welche auf den lichtempfindlichen Elementen registriert werden.
Die Messung des Winkels ist eine direkte Funktion des Abstands jenes Bildes
vom Messungsursprung in Längsrichtung,
wobei der Ursprung durch die Überschneidung
der Bezugsachse mit der Längsachse
des Abtasters definiert ist.
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Erfindungsgemäß umfasst
die Abgrenzung des von der Lichtquelle ausgegebenen Lichtsignals (d.
h. der Daten, die vom Abtaster 5 zur Durchführung der
Winkelmessung genutzt werden sollen) von der Umweltstörung folgende
Vorgänge:
Erfassung
von mindestens zwei Bildern zu unterschiedlichen und bekannten Zeitpunkten;
Vergleichen
der beiden Bilder;
Verarbeitung der aus dem Vergleich hervorgegangenen
Daten mithilfe eines Prozesses, der es ermöglicht, die Umweltstörung zu
bestimmen und von den durch das besagte Lichtsignal übermittelten
Daten abzugrenzen, und umgekehrt.
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Im
Besonderen ist die Ausgabe des Lichtsignals, welches seinen Ursprung
in dem durch die Lichtquelle erzeugten Lichtbündel hat, auf einer ersten
Frequenz intermittierend und nahezu konstant.
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Erfindungsgemäß wird eine
Vielzahl der „Bilder" in bestimmten Zeitabständen, nämlich auf
einer zweiten Frequenz, erfasst, wobei die Länge der Intervalle von geringer
Bedeutung ist.
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Alternativ
ist das vom Lichtbündel übertragene
Lichtsignal auf einer ersten Frequenz intermittierend mit einer
variablen Frequenz über
die Zeit (und einem vom Benutzer gewählten Intervall), während die
Erfassung einer Vielzahl der abgelesen „Bilder" in konstanten Zeitabständen und
zwar auf einer zweiten Frequenz (mit konstanter Periode und Frequenz) erfolgt.
Eine ausreichende Anzahl durchgeführter Ablesungen gewährleistet
eine ausreichende Anzahl von zu vergleichenden Bildern, um ein zufrieden
stellendes Resultat zu erhalten.
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In
einer weiteren Ausführungsform
können bei
nur ungefährer
Kenntnis der (konstanten) Periode der Ausgabe des Lichtsignals durch
die Lichtquelle mindestens zwei Bilder in einem Zeitabstand voneinander
abgelesen werden, welcher anhand der Ausgabeperiode des Lichtsignals
bestimmt wird. Im Einzelnen wird dieses zwischen einer Ablesung
und einer nächsten
Ablesung liegende Intervall so festgelegt, dass es kein ganzes Vielfaches
der Periode der intermittierenden Ausgabe des Lichtsignals darstellt. Dies
bedeutet, dass eine der Ablesungen innerhalb jener Phase erfolgt,
in der kein Signal von der Lichtquelle ausgegeben wird.
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Eines
der Bilder kann unter geregelten Störungsbedingungen abgelesen
werden, um ein Justierungsmuster, eine „Schablone", zu erstellen, die gespeichert und
zum Vergleich mit den während
des Normalbetriebs erfassten Bildern genutzt werden kann. Zudem
werden mindestens zwei dieser Bilder in einem Zeitabstand voneinander
abgelesen, welcher anhand der Ausgabeperiode des Lichtsignals bestimmt
wird – dies
wird mit dem oben beschriebenen Schablonenmodell kombiniert, das
durch die Ablesung bei geregelten Störungsbedingungen erstellt wurde.
Anschließend
wird ein Vergleich zwischen einem typischen während des Betriebs angelesen
Bild und den beiden oben genannten gespeicherten Daten durchgeführt.
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Der
Vergleich zwischen den Bildern kann durch Anwendung der Subtraktionsmethode
erfolgen.
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Ein
Problem, das auftreten kann, betrifft die Tatsache, dass die zur
Ablesung des Bildes erforderliche Zeit bei normalen optischen Sensoren
nicht gleich null ist – sie
beträgt
einige Millisekunden.
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Wenn
sich der Zustand der Lichtquelle ändert (von eingeschaltet auf
ausgeschaltet oder umgekehrt), kann der Empfänger während dieses kurzen Zeitraums
nur einen Teil der optischen Leistung der Quelle ablesen, wobei
dieser Teil jener Zeitspanne entspricht, während deren die Quelle eingeschaltet war.
Dies resultiert in einer Folge von Bildern, in denen die Quelle
eine Zwischenstufe aufweist, was eine effektive Substraktion der
Störung
schwierig macht.
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Hinzu
kommt, dass die Phasenbeziehung zwischen Quelle und Empfänger nicht
mit einer einmaligen Einstellung für immer festgelegt ist, sondern sich
allmählich
verändert
aufgrund der Toleranz bei den Frequenzen der Oszillatoren.
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Das
Problem kann mit unterschiedlichen Methoden gelöst werden.
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Bei
einer ersten Methode blinkt die Lichtquelle mit einer Frequenz,
die der Hälfte
des für
den Empfänger
zulässigen
Höchstwertes
entspricht. Der Empfänger
erfasst die beiden Bilder, die zur Substraktion der Störungen verwendet
werden, nicht in zwei aufeinander folgenden Zyklen, sondern es wird ein „Leerlauf"-Zyklus zwischen
den beiden Ablesungszyklen eingefügt.
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Die
Zeitspanne zwischen zwei aufeinander folgenden Ablesungen ist die
Expositionszeit des Abtasters und auch die Bearbeitungszeit zur
Erfassung des Signals. Während
bestimmter Zeitabschnitte nimmt der Sensor nicht die gesamte Leistung
der Lichtquelle auf, was den oben erwähnten Nachteil zur Folge hat.
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Es
gibt zwei Möglichkeiten
zur Lösung
des Problems.
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Bei
der ersten Möglichkeit
ist das Ablesungssystem des Empfängers
so eingerichtet, dass ein neues Paar von Ablesungen erst nach Ablauf
einer ungeraden Anzahl von Zyklen zugelassen wird. Dies gewährleistet,
dass das System auch unter den oben beschriebenen Umständen in
der Lage ist, gültige Paare
alternierend zu erfassen, so dass eine akzeptable, wenn auch nicht
perfekte Leistung gewährleistet
werden kann.
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Bei
der zweiten Möglichkeit
ist das Ablesungssystem des Abtasters so eingerichtet, dass ein neues
Paar von Ablesungen erst nach Ablauf einer geraden Anzahl von Zyklen
zugelassen wird. Darüber
hinaus ist das System in der Lage zu erkennen, wenn eine anomale
Situation eintritt. In einem solchen Fall schiebt das System einmalig
einen weiteren „Leerlauf"-Zyklus ein, um Empfänger und
Lichtquelle außer
Phase zu bringen. Dies gewährleistet eine
einheitliche Leistung bei allen Synchronisationsbedingungen, bringt
jedoch eine nicht zu vernachlässigende
technische Komplikation mit sich. Das Problem kann auch durch Ausnutzung
einer Phasenverschiebung gelöst
werden.
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In
diesem Fall wird dafür
gesorgt, dass die Lichtquelle mit einer Frequenz blinkt, welche
dem für die
Leistung des Empfängers
zulässigen
Höchstwert entspricht.
Der Empfänger
erfasst die beiden zur Subtraktion der Störung zu verwendenden Bilder
in zwei eng aufeinander folgenden Zyklen und bewirkt, dass die Phasenbeziehung
zwischen Quelle und Empfänger
sich erheblich verändert,
so dass die anomale Situation nicht über längere Zeitspannen anhält.
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Erzielt
werden kann dies beispielsweise dadurch, dass die Grundfrequenzen
von Empfänger und
Quelle leicht unterschiedlich gehalten werden, oder durch einen
direkten Eingriff des Ablesungssystems, welches dafür sorgt,
dass das Synchronisationssystem des Empfängers seine Phase gegenüber der
Lichtquelle verändert,
indem es beispielsweise die Grundfrequenz für eine kurze Zeit erhöht oder senkt.
Dieser Eingriff des Ablesungssystems kann periodisch oder im Falle
des Erkennens einer anomalen Situation (soweit möglich) erfolgen.
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Eine
weitere Methode, die keine Alternative zur Subtraktionsmethode oder
zum Vergleich mit einem „Modell", einer „Schablone", darstellt, sondern mit
diesem kombiniert wird, um Störungsimmunität zu gewährleisten,
ist die Regulierung der Exposition des Bildabtasters. Die Methode
nutzt die Möglichkeit zur
Regulierung der Empfindlichkeit des Abtasters durch die Einstellung
der Zeit, während
deren die lichtempfindlichen Elemente dem Lichtsignal ausgesetzt
sind.
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Hierbei
handelt es sich um einen Vorzug der linearen Abtaster der neuesten
Generation. In 4 beispielsweise zeigt 15 das
Bild, das von der Lichtquelle auf dem Abtaster über sämtliche lichtempfindliche Elemente
erzeugt wird; 17 zeigt das abgetastete Signal des gesamten
Abtasters und 16 das Signal, welches die Exposition des
Abtasters in Bezug auf die Abtastung reguliert.
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Eine
Analyse des empfangenen Signals, welche erfolgen kann, nachdem das
Signal nach den oben beschriebenen Techniken für gültig erachtet wurde, ermöglicht es,
mithilfe eines einfachen Integrationsvorgangs im Umfeld des Signals
zu bestimmen, ob der Signalpegel für die Verarbeitung ausreicht
oder nicht bzw. ob er durch die Expositionsregelung erhöht werden
kann, d. h. durch Erhöhung
der Empfindlichkeit der Vorrichtung zur Gewährleistung eines verwertbaren
Signals. Dies ist beispielsweise äußerst nützlich, um stets den gleichen
Signalpegel zu haben – sowohl
bei Fahrzeugen mit großem
Radstand als auch bei solchen mit sehr kleinem.
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Eine
weitere Möglichkeit
besteht darin, den Inhalt des störenden
Signals außerhalb,
aber nahe des verwertbaren Signals zu analysieren, wobei beispielsweise
entschieden werden kann, die Exposition des Abtasters zu verringern,
weil das in der unmittelbaren Umgebung vorhandene Licht eine Sättigung beim
Abtaster bewirken könnte.
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Da
die Erfindung es ermöglicht,
die Exposition der Vorrichtung nach einer Analyse des verwertbaren
Signals und der störenden
Signale zu regulieren, kann jedes Goniometer auf die jeweiligen
Bedingungen des Umweltslichts eingestellt werden, was eine Toleranz
des Systems gegenüber
den geometrischen Bedingungen (Radstand) des Kraftfahrzeugs bewirkt.
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Die
Expositionseinstellung kann für
jedes Goniometer 3 oder 4 in 1 separat
erfolgen.