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Die vorliegende Erfindung betrifft eine
Führungsvorrichtung für Fahrzeuge, insbesondere von öffentlichen
Verkehrsmitteln, auf einer nicht schienengebundenen Strecke mit
Hilfe eines Magnetfelds, das von einem in der Achse der
Fahrstrecke verlegten, dieses Feld aussendenden Organ
stammt, wobei auf dem Fahrzeug zwei Magnetfeldsonden zum
Empfang des Feldes vorgesehen sind.
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Es ist bereits eine Technik zur Seitenführung von
Fahrzeugen bekannt, insbesondere Materialtransportwagen in
einer Fabrik, bei der ein Magnetfeld von einem leitenden
Draht, der in der Achse der von dem Fahrzeug zu
durchfahrenden Strecke verlegt ist, ausgesendet wird. Das Fahrzeug
besitzt mindestens zwei Magnetfeld-Detektorspulen für das
von dem Draht ausgehende Magnetfeld. Eine solche Technik
wird beispielsweise in der Druckschrift FR-A-2 278 525
beschrieben.
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Weiter ist in der Zeitschrift "Recherche Transports
Sécurité", März 1984, Seiten 45 bis 47, eine elektronische
Führungsvorrichtung für einen Autobus beschrieben, die
Spurbus-Projekt genannt wird und ein kreisförmiges
Magnetfeld verwendet, das von einem Kabel erzeugt wird, welches
von einem niederfrequenten Strom geringer Stärke
durchflossen wird. Am Fahrzeug sind in gleicher Höhe zwei zueinander
senkrechte Spulen angeordnet, die eine mit waagrechter und
die andere mit senkrechter Achse, und diese Spulen sind an
Organe zur Erfassung der Phasenverschiebung der durch das
Feld induzierten Spannungen angeschlossen.
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Die Druckschrift GB-A-1 299 701 beschreibt eine
Führungsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Solche Vorrichtungen erlauben es, eine
zufriedenstellende Seitenführung der Fahrzeuge zu gewährleisten, aber
sie sind unbrauchbar, wenn außerdem die Geschwindigkeit und
die Lage des Fahrzeugs überwacht werden sollen.
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Für eine solche Fahrzeugüberwachung muß man auf ein
Übertragungssystem mittels Funk oder mit Hilfe eines
parallel zur Strecke verlegten Hochfrequenz-Wellenleiter
zurückgreifen, wobei das Hochfrequenz-System mit Wellenleiter
Gegenstand der Patentanmeldung FR-A-2 612 715 vom 18. März
1987 auf den Namen der Anmelderin ist.
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In jener Patentanmeldung ist der
Hochfrequenz-Wellenleiter entweder seitlich neben der von dem Fahrzeug zu
durchfahrenden Strecke oder im Boden entlang der Achse
dieser Strecke verlegt.
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Es war jedoch nicht möglich, die Verwendung eines
Mikrowellenleiters, der entlang der Achse der Strecke im
Boden verlegt ist, auch für die Spurführung des Fahrzeugs zu
verwenden, da eine sehr geringe Genauigkeit für diese
Führung zu erwarten war, da die Ungewißheit über die korrekte
Seitenlage mindestens in der Größenordnung der Breite des
Wellenleiter liegt.
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Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine
Führungsvorrichtung für Fahrzeuge auf einer
schienenungebundenen Strecke anzugeben, die außer der Führung hinsichtlich
der Lage und/oder der Geschwindigkeit eine präzise
Seitenführung des Fahrzeugs gewährleistet, wie dies insbesondere
für öffentliche Verkehrsmittel notwendig ist.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist in Anspruch 1
gekennzeichnet.
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Gemäß einer ersten Variante der Erfindung bestehen
die magnetischen Sonden aus auf die Frequenz des von den
Wellenleitern ausgesendeten Signals abgestimmten Schaltungen
mit je einer Wicklung um einen Magnetkern, wobei die beiden
Wicklungen parallel angeordnet sind und zueinander senkrecht
und zur Achse des Fahrzeugs in einem Abstand und in gleicher
Höhe angeordnet sind, wobei die an den Klemmen dieser
Wicklungen induzierten Spannungen von einem Meßorgan gemessen
werden.
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Diese erste Variante entspricht außerdem vorzugsweise
mindestens einem der folgenden Merkmale:
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- Die beiden Spulen haben eine vertikale Achse.
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- Die Spulen der Sonden haben einen gegenseitigen
Abstand entsprechend der Breite des Wellenleiter.
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- Die Vorrichtung enthält zwei Gruppen von Sonden in
unterschiedlicher Höhe sowie Mittel zur Bestimmung der
seitlichen Abweichung ausgehend von den Angaben dieser
Spulen und unabhängig von der Höhe der Sonden oberhalb des
Wellenleiter.
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Gemäß einer zweiten Variante der Erfindung hat eine
der Sonden eine vertikale Achse und die andere eine
horizontale Achse. Beide befinden sich in der Achse des Fahrzeugs
und in gleicher Höhe und sind an ein Organ zur Messung der
Phasenverschiebung der induzierten Spannungen angeschlossen.
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Die Vorrichtung gemäß dieser zweiten Variante enthält
vorzugsweise zwei Gruppen von Sonden in unterschiedlicher
Höhe sowie Mittel zur Bestimmung der Phasenverschiebung der
induzierten Spannungen ausgehend von den Ausgangssignalen
dieser Sonden unabhängig von der Höhe der Gruppen von
Sonden.
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Nun werden anhand von Ausführungsbeispielen und der
schematischen beiliegenden Zeichnungen Vorrichtungen zur
Spur- oder Seitenführung eines öffentlichen Verkehrsmittels
gemäß der Erfindung näher erläutert. Die Führung
hinsichtlich der Lage und der Geschwindigkeit der Fahrzeuge wird
gewährleistet, indem das Fahrzeug Sende- und
Empfangsantennen für Hochfrequenzsignale besitzt und indem der
Wellenleiter an einen Hochfrequenzsender und einen
Hochfrequenzempfänger angeschlossen ist, die in einer
Verkehrskontrollstation angeordnet sind, wie dies in der Patentanmeldung FR-
A-2 612 715 vom 18. März 1987 beschrieben wurde.
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Die Struktur des Wellenleiter für die Führung des
Fahrzeugs hinsichtlich Lage und Geschwindigkeit auf seiner
Strecke durch Mikrowellenübertragung gleicht im übrigen
derjenigen, die in der Patentanmeldung FR-A-2 608 119 der
Anmelderin beschrieben ist.
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Figur 1 zeigt zwei parallele Meßsonden mit
senkrechter Achse, die auf dem zu führenden Fahrzeug angeordnet
sind, sowie einen Wellenleiter, der entlang der Achse der
von dem Fahrzeug zu durchfahrenden Fahrbahn eingegraben ist,
wobei das Fahrzeug bezüglich der Achse der Strecke nach
rechts versetzt ist.
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Figur 2 zeigt die waagrechte und senkrechte
Komponente des von einer Sonde empfangenen Felds abhängig von
der Fahrzeuglage bezüglich der Achse des Wellenleiter.
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Figur 3 zeigt die vertikalen Komponenten des von zwei
Sonden gemessenen Magnetfelds, die sich zu beiden Seiten der
Achse des Fahrzeugs befinden.
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Figur 4 zeigt eine Führungsvorrichtung mit zwei
Paaren von Sonden in unterschiedlicher Höhe, durch die eine
seitliche Verschiebung unabhängig von der Höhe der Sonden
oberhalb des Wellenleiters gemessen werden kann.
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Figur 5 zeigt eine Führungsvorrichtung durch Messung
der Phasenverschiebung der in zwei in der Achse des
Fahrzeugs montierten Spulen induzierten Spannungen, wobei eine
Spule eine vertikale Achse und die andere eine horizontale
Achse besitzt.
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Figur 6 zeigt die Veränderung der in den beiden
Spulen aus Figur 5 induzierten Spannungen abhängig vom
Verhältnis x/y, wobei y die Höhe der Sonden oberhalb des
Wellenleiters und x die seitliche Verschiebung bezüglich der
Achse des Wellenleiters ist.
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Figur 7 zeigt das Prinzip einer Apparatur zur Messung
einer seitlichen Verschiebung bezüglich der Achse eines
Wellenleiters.
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In Figur 1 sieht man den Wellenleiter 1, der in der
Achse der von dem Fahrzeug zu durchfahrenden Strecke
vergraben ist. Am Bord des zu führenden Fahrzeugs sind zwei auf
die (relativ niedrige) Frequenz der von den Wellenleitern
emittierten Strahlung abgestimmte Schaltungen angeordnet. In
den Spulen 2 und 3 treten vertikale Felder By1 und By2 auf,
deren Absolutwert von ihrem waagrechten Abstand bezüglich
der Senkrechten über der Achse des Wellenleiters abhängt. Es
ergibt sich, daß das abgestrahlte Feld für einen sehr langen
Draht, der von einem Strom I = I&sub0;coswt durchflossen wird,
allgemein ausgedrückt folgenden Wert hat: B&sub0; = µ&sub0; I/(2r).
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Hierbei ist µ&sub0; die magnetische Permeabilität des
Milieus und r der Abstand des Meßpunkts von der Achse des
Drahts. Die waagrechte und senkrechte Komponente dieses
Magnetfelds hat folgenden Absolutwert:
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bzw.
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Hierbei ist y die Höhe des Meßpunkts oberhalb des
Drahts und x seine Abszisse.
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Die Amplitude der beiden Komponenten des Felds in
Abhängigkeit von der horizontalen Abszisse des Meßpunkts
bezüglich des Drahts senkrecht zu diesem ist in Figur 2
kurvenmäßig dargestellt. Die horizontale Komponente hat
oberhalb des Drahts ihren Höchstwert und die vertikale
Komponente ist dort im wesentlichen Null. Man kann zeigen,
daß der Ausdruck für das Feld abhängig von der Abszisse
bezüglich der Achse eines Wellenleiter senkrecht zu diesem
die gleiche Form wie oben angegeben hat.
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Ordnet man die Spulen 2 und 3 mit ihren Magnetkernen
4 und 5 senkrecht an einem Fahrzeug an, das auf einer
Strecke verkehrt, in deren Achse ein Wellenleiter 1
vergraben ist, dann variieren die Werte der vertikalen
Induktion By1 und By2 in den Spulen gemäß den Kurven 6 und 7 in
Figur 3. Die Auswertung der an den Klemmen dieser Spulen
induzierten Spannungen ergibt daher ein Maß für die
seitliche Abweichung des Fahrzeugs bezüglich der Achse der
Strekke.
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Die Werte der in den Spulen induzierten Spannungen
hängen von ihrer Ordinate y oberhalb des Wellenleiter ab.
Man kann diese Abhängigkeit jedoch beseitigen. Mit S sei das
Nutzsignal wie folgt bezeichnet:
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S = By² = K²(x²/(x²+y²))
Hierbei gilt
sowie
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Die Information S liefert daher die Kenntnis über x
für eine gegebene Ordinate y, während x proportional zu y
ist.
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So kann man die seitliche Abweichung x bestimmen,
indem man die Felder By¹&sub1;, By²&sub1;, By¹&sub2; und By²&sub2; in zwei Sätzen
von vertikalen Spulen bestimmt, die einen vertikalen Abstand
D wie in Figur 4 gezeigt haben. Die Beziehungen x&sub1; = K&sub1;y&sub1;
sowie x&sub1; = K&sub2;(y&sub1;+D) ergeben folgende Gleichung
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x&sub1; = K&sub2; D/(1-K&sub2;/K&sub1;)
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Man kann die seitliche Abweichung auch durch die
Messung der Phasenverschiebung zwischen den Komponenten Bx
und By des Feldes bestimmen. Hierzu verwendet man Sonden,
die von auf Ferritstäben montierten Spulen gebildet werden,
auf die Sendefrequenz des Wellenleiter durch einen
Parallelkondensator abgeglichen sind und vorzugsweise in der Achse
des Fahrzeugs liegen. Eine dieser Spulen besitzt eine
vertikale Achse und die andere eine horizontale Achse. Diese
Sonden integrieren das magnetische Feld über eine Länge L.
Sie empfangen die folgenden Signale
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Das Nutzsignal wird von der Phasenverschiebung
zwischen Sx und Sy gebildet.
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Das Meßprinzip ist in Figur 5 dargestellt, während
die Werte der Spannungen an den Klemmen der Spulen durch die
Kurven gemäß Figur 6 gegeben sind. Bezeichnet man mit Uh die
in die Spule 10 mit waagrechter Achse induzierte Spannung,
mit Uv die in die Spule 11 mit vertikaler Achse induzierte
Spannung, mit x die Abszisse der Achse der Spulen und mit y
ihre Höhe oberhalb des Wellenleiter sowie mit α den Winkel
mit dem Tangenswert x/y, dann ergibt sich:
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Uh = k cos² α
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Uv = k cos α sin α
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Daraus folgt: Uv/Uh = tg α = x/y.
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In der Praxis ergibt sich aufgrund der metallischen
Masse des Fahrzeugs und ggf. von metallischen Einbauten in
der Straße ein nicht-linearer Charakter in dieser Funktion.
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Abhängig vom Verhältnis x/y variieren die an den
Klemmen der waagrechten Spule 10 und der senkrechten Spule
11 induzierten Spannungen gemäß den Kurven 12 und 13 in
Figur 6.
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Die Phasenverschiebung, die Null ist, wenn die Spulen
sich vertikal über der Achse der Wellenleiter befinden,
variiert zwischen +π/2 und -π/2, wenn die Spulen sich
unendlich weit zu beiden Seiten von dieser Achse entfernen.
Die Messung der Phasenverschiebung ergibt also den Abstand
des Fahrzeugs bezüglich der Achse der Strecke.
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Tests mit erfindungsgemäßen Vorrichtungen wurden an
einem Versuchssystem im kleinen Maßstab durchgeführt, das in
Figur 7 gezeigt ist und einen homogenen, rechteckigen
Wellenleiter einer Länge von 20 m und einer Breite von 10 cm
enthält. Dieser Wellenleiter emittiert durch Öffnungen an
seiner Oberseite, und erlaubt die Überprüfung, ob der
Wellenleiter als ein Draht hinsichtlich des ausgesendeten Felds
betrachtet werden kann und ob ein solches System zuverlässig
und genau ist. Außerdem werden die Eigenschaften der
Führungssysteme auf der Basis eines Drahts mit relativ
niedriger Frequenz mit Systemen auf der Basis eines Wellenleiter
im Hochfrequenzbereich verglichen.
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Der Wellenleiter 1 wurde über einen Anschluß 15 an
ein Ende eines Generators 14 für eine Sinusspannung einer
Frequenz von 30 kHz und einer Sendeleistung von 10 W
angeschossen. An das andere Ende des Wellenleiter ist ein
Rückleiterdraht 16 angeschlossen, der eine sehr lose Schleife
bildet, so daß verhindert wird, daß er über eine Schleife
strahlt. Man kann auch einen Rückweg über die Erde in
Betracht ziehen, indem das dem Generator abgewandte Ende des
Wellenleiters geerdet ist.
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Mit Hilfe dieses Wellenleiters wurden statische
Messungen (mit konstanter Koordinate z) der Induktion B(x)
und der Phasenverschiebung ΔΨ Bx-By sowie dynamische
Messungen von B(z) und ΔΨ(z) bei konstanten Koordinaten x und y
durchgeführt.
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Die für die Messung verwendeten Sonden waren Spulen
mit 30 Windungen auf Ferritkernen mit einer Permeabilität µr
= 500 und einem Durchmesser von 1,5 cm, wobei die erhaltene
Induktivität von 0,35 mH mit einem Kondensator von 80 nF auf
30 kHz abgestimmt war.
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Eine erste Messung des Signals S(x) für Ordinaten y =
10 cm und y = 18 cm bei Magnetsonden mit einem Abstand von
15 cm hat gezeigt, daß dieses Signal direkt proportional zur
Höhe oberhalb der Wellenleiter ist. Man kann so das Feld
unabhängig von der Höhe der Sonden mit zwei Paaren von
Sonden unterschiedlicher Höhe bestimmen.
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Ein Blech mit 1 m² wurde oberhalb der Sonden
angeordnet, und es wurde festgestellt, daß dies keinen Einfluß auf
die Signale hat.
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Die dynamischen Messungen entlang des Wellenleiters
zeigen, daß das Signal nur wenig im Fall von Wellen einer
relativ niedrigen Frequenz variiert, da die Schlitze im
Wellenleiter ohne Einfluß sind. Der Lagefehler bezüglich der
Achsabweichung kann mit ± 3mm geschätzt werden, wobei dieser
Wert für die Führung eines Fahrzeugs sehr zufriedenstellend
ist.
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Eine Metallschiene wurde parallel zum Wellenleiter
mit einer Länge von 4 cm und einer Höhe von 6 cm in 4 cm
Abstand vom Wellenleiter angeordnet. Die Schiene strahlt
dann ein Feld ab und stört die Messungen. Man sollte daher
metallische Massen allzu nahe beim Wellenleiter vermeiden,
insbesondere Metallteile parallel zum Wellenleiter in der
Fahrbahn.
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Da Vibrationen der Sonden zu Fluktuationen der
Signale führen, ist es günstig, die Sonden auf Stoßdämpfern
zu montieren.
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Weiter wurde die Phasenverschiebung zwischen den
Komponenten Bx und By mit den oben erwähnten Sonden
gemessen, d.h. eine mit vertikaler Achse und die andere mit
horizontaler Achse, mit Hilfe von Antennen einer Länge von
30 cm auf einem Metervektor.
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Bei der statischen Messung, d.h. z = const, stellt
man fest, daß die Phasenverschiebung zwischen -π/2 und +π/2
variiert.
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Die Empfindlichkeit in der Nähe einer seitlichen
Abweichung Null beträgt 1,60 bzw. 5,2º für Sonden mit einer
Höhe von 8 cm bzw. 15 cm. Die Empfindlichkeit ist praktisch
proportional zur Höhe. Unter Verwendung zweier Sätze von
Sonden mit unterschiedlicher Höhe ergibt sich daher ein
Signal, das nur noch von der seitlichen Abweichung abhängt.
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Eine dynamische Messung (entlang des Wellenleiter)
hat gezeigt, daß die Phasenverschiebungen auch beim
Überfahren eines zwei Wellenleiterabschnitte verbindenden
Flansches vernachlässigbar waren. Der Fehler bezüglich der
seitlichen Abweichung liegt in der Größenordnung eines
Millimeters.
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Legt man ein Metallblech als Reflektorebene über die
Sonden und eine Metallschiene parallel zum Wellenleiter in
dessen Nähe, dann lassen sich nur vernachlässigbare
Störungen beobachten.