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Die vorliegende Erfindung betrifft eine
Antikollisionsvorrichtung. Sie ist insbesondere auf die Ausrüstung
von Kraftfahrzeugen anwendbar, um ihnen vor ihnen liegende
Hindernissen auszuweichen zu erlauben, beispielsweise bei
schlechter Sicht. Allgemeiner ist die Erfindung auf alle
Antikollisionsfunktionen zwischen einem beweglichen Objekt
und einem Hindernis anwendbar.
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Antikollisionssysteme für Kraftfahrzeuge sind
bekannt. Ein erstes bekanntes System verwendet ein
Millimeterradar, dessen Antenne im allgemeinen einen Strahl mit einem
Öffnungswinkel von etwa 2 bis 3º besitzt. Diese Breite des
Strahls führt dazu, daß in 100 m Entfernung vom Fahrzeug die
-3 dB-Grenze des Strahls etwa eine Breite von 5 m und in 200
m Entfernung eine Breite von etwa 10 m ergibt. Mit dieser
letztgenannten Breite kann ein ungefährliches seitliches
Ziel, beispielsweise ein Verkehrsschild, vom Strahl
beleuchtet werden und dann einen Fehlalarm auslösen. Dagegen hat
bei einer geringen Entfernung vom Fahrzeug die geringe
Breite des Strahls zur Folge, daß ein Hindernis, mit welchem
dieses Fahrzeug kollidieren könnte, gegebenenfalls durch den
Strahl nicht beleuchtet wird und für das
Antikollisionssystem so unerfaßt bleibt. Schließlich kann eine erhebliche
Zusatzlast im hinteren Bereich des Fahrzeugs oder eine
hügelige Straße das Ende des Strahls bezüglich der
Hindernisse vor dem Fahrzeug anheben, sodaß der Strahl letztere
nicht erreicht.
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Um diese Nachteile zu beheben, könnte eine
schwenkbare Antenne verwendet werden. Eine solche Lösung ist aber
teuer und kann daher nicht für eine Verwendung in
Großserien-Fahrzeugen angepaßt werden.
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Optische Antikollisionssysteme sind bekannt. Sie sind
bei gutem Wetter wirkungsvoll, aber bei schlechtem Wetter
wie Regen oder Nebel praktisch unbrauchbar.
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Ein Patent US-4 148 028 beschreibt eine Vorrichtung,
um eine Kollision zwischen einem Fahrzeug und einem
Hindernis zu vermeiden.
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Ziel der Erfindung ist es, die erwähnten Nachteile
zu beheben, indem insbesondere brauchbare und sichere
Informationen bezüglich einer Kollisionsgefahr erhalten werden
sollen.
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Hierzu ist Gegenstand der Erfindung eine Vorrichtung,
wie sie in Anspruch 1 definiert ist.
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Die wesentlichen Vorteile der Erfindung liegen darin,
daß sie bei jedem Wetter betriebsbereit ist, an alle Arten
von Fahrzeugen, angepaßt werden kann, einfach durchzuführen
und wirtschaftlich ist.
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Andere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nun
anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
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Die Fig. 1a und 1b zeigen ein bewegliches Objekt,
das sich einem Hindernis annähert, und zwar in zwei
unterschiedlichen Zeitpunkten und für einen Fall, in dem keine
Kollisionsgefahr besteht.
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Die Fig. 2a und 2b zeigen ein bewegliches Objekt,
das sich einem Hindernis annähert, und zwar in zwei
unterschiedlichen Zeitpunkten und für einen Fall, in dem eine
Kollisionsgefahr besteht.
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Fig. 3 zeigt ein Interferenzdiagramm aufgrund von
Signalaussendungen von mindestens zwei am beweglichen Objekt
befestigten Antennen.
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Fig. 4 zeigt Winkel zwischen dem Hindernis und den
erwähnten Antennen.
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Die Fig. 5a und 5b zeigen Signale, die von jeder
der Antennen erhalten werden, wobei die Antennen sequentiell
arbeiten.
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Fig. 6 zeigt eine mögliche Ausführungsform einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Fig. 7 zeigt eine andere mögliche Ausführungsform,
die die vorhergehende ergänzt und eine Kollisionsgefahr
durch Vergleich mit einer Schwelle definiert.
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Fig. 8 zeigt seitliche Abstände zwischen dem
beweglichen Objekt und dem Hindernis.
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Fig. 1 zeigt in einem gegebenen Zeitpunkt t&sub1; ein
bewegliches Objekt 1, beispielsweise ein Fahrzeug, das
beispielsweise auf einer Straße fährt und sich an ein
Hindernis 3 annähert, beispielsweise an ein anderes Fahrzeug
oder ein beliebiges anderes Hindernis. Das bewegliche Objekt
1 besitzt einen Vektor D in Richtung seiner Bewegung und
einen relativen Geschwindigkeitsvektor VR in Richtung zum
Hindernis 3, wobei die Länge des Geschwindigkeitsvektors die
relative Geschwindigkeit zwischen dem Hindernis und dem
bewegliche Objekt 1 ausdrückt. Der Vektor D bezeichnet die
gegebene Richtung, in der sich das bewegliche Objekt 1
bewegt. In diesem gegebenen Zeitpunkt t&sub1; bilden der
Geschwindigkeitsvektor und der Bewegungsvektor D einen ersten Winkel
θ&sub1;.
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Fig. 1b zeigt das bewegliche Objekt 1 und das
Hindernis 3 in einem Zeitpunkt t&sub2;, der nach dem
vorhergehenden Zeitpunkt t&sub1; liegt und in dem das bewegliche Objekt 1
sich dem Hindernis 3 weiter angenähert hat. Der Winkel
zwischen dem neuen Vektor V'R und dem Bewegungsvektor D des
beweglichen Objektes 1 hat nun einen zweiten Wert θ&sub2;. In dem
in den Fig. 1a und 1b gezeigten Fall nähert sich zwar das
bewegliche Objekt 1 dem Hindernis 3 an, aber fährt nicht auf
dieses zu. Es gibt also keine Gefahr einer Kollision.
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Die Fig. 2a und 2b zeigen den Fall einer
Kollisionsgefahr zwischen dem beweglichen Objekt 1 und dem
Hindernis 3.
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Fig. 2a zeigt die relativen Lagen des beweglichen
Objektes 1 und des Hindernisses 3 in einem ersten gegebenen
Zeitpunkt t&sub1;.
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Fig. 2b zeigt ihre relativen Lagen in einem späteren
Zeitpunkt t&sub2;, in dem das bewegliche Objekt sich dem Hindernis
3 weiter angenähert hat.
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Das Funktionsprinzip der erfindungsgemäßen
Vorrichtung nutzt insbesondere den Umstand, daß der relative
Geschwindigkeitsvektor VR, der auf einen bestimmten Punkt B des
Hindernisses 3 zeigt, mit dem Bewegungsvektor D während der
Annäherung zwischen dem beweglichen Objekt und dem Hindernis
einen im wesentlichen konstanten Winkel beibehält, wobei
gegebenenfalls nur die Amplitude des relativen
Geschwindigkeitsvektors VR variiert. Dieser konstante Winkel θ ist in
Fig. 2a und 2b dargestellt, die die beiden Zeitpunkte t&sub1; und
t&sub2; während der Annäherung betreffen. Im Fall der Fig. 1a
und 1b, bei denen die Annäherung ohne Kollisionsgefahr
erfolgt, unterscheidet sich der Winkel θ&sub2; zum Zeitpunkt t&sub2;
vom Winkel θ&sub1; zum vorhergehenden Zeitpunkt t&sub1;.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung verwendet mindestens
zwei Antennen A1, A2, die durch ihre relativen Lagen in
Fig. 3 dargestellt sind, wobei diese Lagen aufgrund der
großen Entfernung zwischen den Antennen und dem Hindernis
als Punkte dargestellt werden können. Außerdem können diese
Punkte beispielsweise den Beginn der Strahlen der Antennen
A1 und A2 bilden. Die beiden Antennen A1, A2 senden je ein
Hochfrequenzsignal aus, und das Hindernis 3 kann ein Echo
reflektieren. Im Fall der Anwendung auf ein Kraftfahrzeug
befinden sich diese Antennen beispielsweise in Höhe je eines
vorderen Scheinwerfers. Wenn diese Antennen A1, A2
beispielsweise gleichzeitig senden, erzeugen sie
Interferenzkeulen 31. Der Abstand der Antennen von einem Punkt C am
Ende einer Keule, die zur Hüllkurve 32 des Diagramms einer
Antenne gehört, läßt sich durch folgende Gleichung
beschreiben:
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= + k · λ (1)
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Hierbei bedeuten und die Entfernung des Punkts C von
der ersten beziehungsweise zweiten Antenne A1, A2, und λ ist
die Wellenlänge der von den Antennen A1 und A2 ausgesendeten
Welle; k ist eine positive ganze Zahl.
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Jede Interferenzkeule 31 hat außerdem eine Breite ΔΩ
bei -3dB, die angenähert durch folgende Beziehung
ausgedrückt werden kann:
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ΔΩ = (65º · λ)/ (2)
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Hierbei bedeutet stets λ die Wellenlänge des von den
Antennen A1, A2 ausgesendeten Signals und bedeutet den
Abstand zwischen ihnen, der beispielsweise der Breite des
beweglichen Objektes 1 gleicht.
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Geht man davon aus, daß das Hindernis, dessen Lage
durch einen Punkt B markiert ist, in einer Interferenzkeule
31, wie in Fig. 3 gezeigt, liegt, dann reflektiert dieser
Punkt B eine Energie E zu den den Antennen A1, A2
zugeordneten Empfangsmitteln. Der Punkt B besitzt eine
Relativgeschwindigkeit bezüglich eines Punkts A des beweglichen
Objektes, die durch einen Vektor VR angedeutet ist, der bei A
beginnt und auf den Punkt B hinzeigt. Der Punkt A liegt
beispielsweise in der Mitte zwischen den Antennen A1 und A2
und besitzt einen Bewegungsvektor D, der dem des beweglichen
Objektes 1 entspricht.
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Der relative Geschwindigkeitsvektor VR schließt einen
Winkel θ mit dem Bewegungsvektor D ein.
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Solange der Punkt B des Hindernisses auf einer
Geraden bleibt, die beispielsweise durch die Mitte zwischen
den beiden Antennen A1, A2 verläuft und diese Gerade einen
konstanten Winkel mit dem Bewegungsvektor D einschließt,
kann eine Kollisionsgefahr bestehen.
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Fig. 4 zeigt die Winkel zwischen dem erwähnten Punkt
B und den Antennen A1 und A2. Der Vektor, dessen
Ausgangspunkt am Ort der ersten Antenne A1 angenommen wird, und
dessen Ende am Punkt B liegt, schließt einen Winkel θ mit
einer Achse N ein, die durch den Ort der ersten Antenne A1
verläuft und parallel zur erwähnten Symmetrieachse S
ausgerichtet ist. Dieser Winkel gleicht im wesentlichen dem oben
definierten Winkel θ zwischen dem relativen
Geschwindigkeitsvektor VR und dem Bewegungsvektor D, da der Abstand
zwischen den beiden Antennen A1, A2 und damit der Abstand
zwischen der Mitte A zwischen diesen beiden Antennen und der
ersten Antenne A1 gegenüber der Entfernung zwischen den
Antennen und dem Punkt B des Hindernisses sehr klein ist.
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Die von den den beiden Antennen zugeordneten
Empfangsmitteln empfangene Energie E kann durch die folgende
Gleichung definiert werden, wenn die beiden Antennen in
Phase senden:
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und bezeichnen die Entfernung zwischen dem Punkt B
und der ersten beziehungsweise der zweiten Antenne A1, A2,
während E1 und E2 die Energie bezeichnen, die von dem
Hindernis abhängig von der von der ersten Antenne A1
beziehungsweise der zweiten Antenne A2 ausgesendeten Energie
reflektiert wurde.
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Für E1 = E2 = Eo, das heißt für den Fall, daß die
beiden Antennen beispielsweise gleiche Energie aussenden,
kann die erwähnte Energie E durch folgende Gleichung
definiert werden:
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Der Ausdruck - bildet die Wegdifferenz und
ist gleich · sinθ, wobei θ der oben definierte Winkel
ist.
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Die Energie E des empfangenen Echos kann dann
folgendermaßen beschrieben werden:
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Besteht keine Kollisionsgefahr, dann fluktuiert der
Winkel θ und damit auch die empfangene Energie.
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Im Fall einer Kollisionsgefahr bleibt der Winkel θ
konstant, sodaß aufgrund der Wirkungen der Annäherung, die
in dem ersten Cosinus-Ausdruck der Gleichung (5) enthalten
ist, die Energie E des empfangenen Echos nicht fluktuiert.
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Die Analyse dieser empfangenen Energie erlaubt also eine
Analyse der Veränderungen des Winkels θ und damit eine
Vorhersage über die Kollisionsgefahr. Dabei ergeben sich
jedoch zwei Nachteile:
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Der erste beruht darauf, daß das Hindernis durch die
den Antennen zugeordneten Erfassungsmittel nicht erkannt
wird und damit gegebenenfalls auch nicht vermieden werden
kann, wenn es sich zwischen den Interferenzkeulen 31
befindet. Um diesen Nachteil zu beheben, senden die beiden
Antennen A1, A2 nacheinander, sodaß in jedem Zeitpunkt die
innerhalb der Hüllkurve 32 des Diagramms einer Antenne
enthaltene Zone beleuchtet wird. Es gibt also keine
Interferenzkeulen 31 und damit auch keine Interferenzlöcher mehr.
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Wenn dieses Ergebnis erreicht ist, enthält die
erfindungsgemäße Vorrichtung Mittel, um die Augenblicksphase
der vom Hindernis H nach jeder Sendephase einer Antenne
empfangenen Echos zu konservieren, wobei diese Mittel
beispielsweise Entfernungsextraktoren sind, die die
augenblickliche Phase einer empfangenen Welle konservieren, was
insbesondere alle Dopplerradargeräte können. Es ist dann
möglich, ein vom Hindernis B kommendes Echo zu rekonstruieren,
dessen Phase mit den Abständen und wie oben
definiert verknüpft bleibt, sodaß es möglich ist, ein vom Winkel
θ abhängiges Signal zu erhalten. Die Mittel, um die Phase zu
konservieren, bestehen beispielsweise aus Mitteln zur
Korrelation des empfangenen Echos mit einem konstanten
Phasentaktsignal in einem Radargerät mit Frequenz- oder
Phasensprungmodulation. Eines dieser Mittel ist beispielsweise ein
Zeitfenster eines Impulsradargeräts, das die augenblickliche
Phase bei jeder Sendewiederholung konserviert. Diese Phase
enthält den Dopplereffekt.
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Wenn die Frequenz des sequentiellen Betriebs der
beiden Antennen A1, A2 zumindest dem doppelten Wert der
höchsten erwarteten Dopplerfrequenz entspricht, kann das
Dopplersignal aus den Tastproben für jede Aussendung der
Antenne A1, A2 aufgrund des Shannon-Theorems rekonstruiert
werden.
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Die Fig. 5a und 5b zeigen abhängig von der Zeit
die Amplitude Ad der aus den empfangenen Tastproben für jede
Antennenaussendung rekonstruierten Signale für den Fall, daß
das Hindernis B an einer Stelle sitzt, die zu einer früheren
Antennenkeule 31 beziehungsweise zu einem früheren
Interferenzloch gehört.
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Gemäß Fig. 5a wird das Signal 51 ausgehend von in
Phase liegenden Tastproben rekonstruiert, die nacheinander
ausgehend von der Aussendung der einen oder der anderen
Antenne A1, A2 erzeugt werden, wobei die Signaltastproben,
die von der ersten Antenne A1 ausgesendet wurden, durch
Bereiche mit der Ziffer 1 und Signaltastproben aus der
zweiten Antenne A2 durch Bereiche mit der Ziffer 2 markiert
sind.
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Im Fall der Fig. 5b, in dem sich das Hindernis an
einer Stelle eines Interferenzlochs befindet, liegen also
die von den beiden Antenne ausgehenden Tastproben in
Gegenphase. Das ausgehend von den empfangenen Tastproben
rekonstruierte Signal 52 besitzt also gleich große Flächen zu
beiden Seiten der Zeitachse t. Dieses von einem
Tiefpaßfilter unterhalb der Schaltfrequenz der beiden Antenne A1, A2
gefilterte Signal ergibt also ein Resultat null. Um
erfindungsgemäß ein Resultat ungleich null zu erhalten, addiert
man nicht die jeder Antenne zugeordneten Empfangskanäle,
sondern zieht sie voneinander ab, um ein Signal ungleich
null nach der Tiefpaßfilterung zu erhalten.
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Fig. 6 zeigt eine mögliche Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Vorrichtung, mit der zwei Signale So und
Sπ nach der Tiefpaßfilterung erhalten werden können. Das
erste Signal So ergibt sich nach Filterung des Signals 51,
das ausgehend von den Doppler-Tastproben in Phase
rekonstruiert wird, während das Signal Sπ nach Filterung des
Signals 52 ausgehend von den Dopplertastproben in Gegenphase
rekonstruiert wird, die aber vorab durch Vorzeichenumkehr in
Phase gebracht wurden, also aufgrund einer
Phasenverschiebung um π der aus einer Antenne stammenden Signale, sodaß
man ein gefiltertes Signal ungleich null erhält.
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Die beiden Antenne A1, A2 sind an erste Schaltmittel
61 angeschlossen, die abwechselnd die Tastproben der vom
Hindernis B empfangenen Echos der ersten Antenne A1 und der
zweiten Antenne A2 durchschalten. Der Ausgang der ersten
Schaltmittel 61 ist mit Mitteln 62 zur Extraktion der
Dopplersignale verbunden, die die augenblickliche Phase der
Tastproben von nacheinander durch die eine oder die andere
Antenne empfangenen Echos charakterisieren. Der Ausgang der
Mittel zur Extraktion der Dopplersignale ist einerseits mit
einem ersten Tiefpaßfilter 63 verbunden, dessen Ausgang das
Signal So liefert, und andrerseits mit zweiten Schaltmitteln
64, deren Umschaltung mit der der ersten Schaltmittel 61
synchronisiert ist. Die zweiten Schaltmittel 64 besitzen
einen ersten Ausgang, der mit einem ersten Kanal 65
verbunden ist, der sein Eingangssignal nicht umkehrt, und einen
zweiten Ausgang, der mit einem zweiten Kanal 66 verbunden
ist, in dem das Eingangssignal invertiert wird. Die beiden
Kanäle 65 und 66 sind mit ihren Ausgängen gemeinsam an den
Eingang eines zweiten Tiefpaßfilters 67 angeschlossen,
dessen Ausgang das Signal Sπ liefert. Die ursprünglichen
Positionen der Schaltmittel 61 und 64 sind beispielsweise so
geregelt, daß die am Eingang der Filter 63 und 67
ankommenden Signale am Ausgang dieser Filter keine Signale null,
sondern Signale So, Sπ ungleich null liefern.
Erfindungsgemäß wird das Verhältnis So/Sπ dieser Signale analysiert,
da es einen guten Hinweis auf die Veränderung des oben
erwähnten Winkels θ sowie über den Wert dieses Winkels
liefert. Hierzu sind die Ausgänge der Filter 63 und 67
beispielsweise an Mittel zur Division der Energiewerte des
Signals S0 durch die Energiewerte des Signals Sπ
angeschlossen.
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In Anwendung der oben aufgestellten Gleichung (4)
ergibt sich:
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Das von der zweiten Antenne A2 kommende Signal ist
beispielsweise das durch den zweiten Kanal 66 invertierte, also
um π in der Phase verschobene Signal, woraus sich der zweite
Begriff in der Gleichung für Sπ anstelle des
Begriffs in der Gleichung für So erklärt.
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Aus den Gleichungen (6) und (7) ergibt sich:
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Aus der Gleichung (8) und der Tatsache, daß gilt:
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das heißt, daß man So/Sπ ausdrücken kann als eine Funktion F
von
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wie folgt:
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Das Signal So/Sπ kann also die Veränderung des Winkels 6
analysieren. Es kann außerdem einen Meßwert für diesen
Winkel liefern. Diese Veränderung des Winkels θ ist im
Interferenzdiagramm periodisch, das heißt daß θ bis auf k · ΔΩ
bekannt ist, wobei k eine ganze Zahl und An der Breite der
Interferenzkeulen bei -3 dB gemäß der obigen Gleichung (2)
entspricht.
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Eine Kollisionsgefahr gibt es, wenn im wesentlichen
gilt: dθ/dt = 0.
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Aufgrund der Beziehung
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ergibt sich eine Kollisionsgefahr bei Analyse des
Verhältnisses So/Sπ, wenn gilt: d(So/Sπ)/dt = 0. In der Praxis wird
der Absolutwert von d(So/Sπ)/dt beispielsweise mit einer
Schwelle THo verglichen. Für d(So/Sπ)/dt ≤ THo betrachtet
man eine Kollisionsgefahr also als gegeben.
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Fig. 7 zeigt ein Beispiel für die Bestimmung der
Kollisionsgefahr, indem die Ausführungsform aus Fig. 6
ergänzt wird.
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Der Ausgang der Divisionsmittel 68, die das
Verhältnis So/Sπ liefern, ist mit dem Eingang von zeitlichen
Differenziermitteln 71 verbunden, die beispielsweise danach den
Absolutwert von d(So/Sπ)/dt liefern. Dieser letztgenannte
Wert wird beispielsweise an den negativen Eingang von
Vergleichsmitteln 72 angelegt, deren positiver Eingang eine
Schwelle empfängt. Die am Ausgang der Vergleichsmittel 72
erhaltene Information zeigt das Vorliegen oder
Nichtvorliegen einer Kollisionsgefahr an, wobei ein positives Signal
beispielsweise eine Kollisionsgefahr und ein negatives
Signale oder ein Signal null das Nichtvorliegen einer
Kollisionsgefahr bezeichnet.
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Erfindungsgemäß ist der Wert des Differentials
d(So/Sπ)/dt ein Maß für den seitlichen Abstand bei jeder
Entfernung zwischen dem beweglichen Objekt und dem Hindernis
3.
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Fig. 8 zeigt verschiedene seitliche Abstände.
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Wenn das bewegliche Objekt sich zum Hindernis 3
hinbewegt, das heißt, wenn es sich auf einer Geraden 81
befindet, die den Bewegungsvektor D des beweglichen Objektes
1 enthält, ist d(So/Sπ)/dt theoretisch null.
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Wenn das bewegliche Objekt 1 sich nicht zum Hindernis
3 hinbewegt, sondern zu ihm einen ersten seitlichen Abstand
Δ1 beibehält, dann ist d(So/Sπ)/dt ungleich null, und wenn
das bewegliche Objekt zum Hindernis einen zweiten seitlichen
Abstand Δ2 > Δ1 beibehält, ist d(So/Sπ)/dt wieder ungleich
null, aber außerdem größer als das Differential d(So/Sπ)/dt
entsprechend dem ersten seitlichen Abstand Δ1.
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Die oben definierte Schwelle 73 zur Definition der
Kollisionsgefahr kann also vom Abstand abhängig sein, um
einen konstanten seitlichen Abstand zwischen dem beweglichen
Objekt 1 und dem Hindernis zu tolerieren, wobei der Wert
d(So/Sπ)/dt repräsentativ abhängig von der Entfernung
zwischen diesen beiden ist. Die Definition eines seitlichen
Abstands, unterhalb dem eine Kollisionsgefahr angenommen
wird, erlaubt es insbesondere, die Sicherheit des
beweglichen Objektes 1 zu verbessern. Dies erlaubt es insbesondere,
die Eigenschaften eines konischen Strahls zu
berücksichtigen, dessen Breite in geringer Entfernung zu gering, aber in
großer Entfernung zu groß ist. Der Wert des tolerierten
Abstands kann beispielsweise abhängig von verschiedenen
Parametern variieren, die mit den Verkehrsbedingungen, den
Bedingungen des Straßenverlaufs, den Umweltbedingungen und
insbesondere atmosphärischen Bedingungen verknüpft sind.
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Außer der Messung des erwähnten Winkels 8 kann
schließlich die erfindungsgemäße Vorrichtung die
Geschwindigkeit des Hindernisses sowie die Entfernung zum
beweglichen Objekt messen, um die Ermittlung der Kollisionsgefahr
zu verfeinern.
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Die Antikollisionsvorrichtung gemäß der Erfindung ist
beispielsweise auf Kraftfahrzeuge anwendbar. Sie kann aber
auf alle Arten von beweglichen Objekten, beispielsweise auf
Flugzeuge angewendet werden. Die zu vermeidenden Hindernisse
können von beliebiger Art sein.