DE10031406A1 - Optoelektronisches System in Fahrzeugen - Google Patents
Optoelektronisches System in FahrzeugenInfo
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Abstract
Die Erfindung beinhaltet ein optoelektronisches System zur Crash-Erkennung in Fahrzeugen, insbesondere in Automobilen, bestehend aus zumindest einem faseroptischen Sensor aus mindestens einem Lichtwellenleiter und einer Lichtquelle, die Licht in den Lichtwellenleiter einstrahlt sowie mindestens ein elektrisch-optischer Wandler, in den das Licht eingekoppelt wird und der ein elektrisches Signal abgibt, welches zur Crash-Erkennung in einer Auswerteeinheit dient, wobei der Lichtwellenleiter wenigstens mit einem Teil seiner Länge im erwarteten Verformungsbereich des Fahrzeugs derart angeordnet ist, dass bei Deformation der Lichtwellenleiter den Lichtweg unterbricht.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein optoelektronisches System nach dem Oberbegriff des
Patentanspruchs 1.
In Kraftfahrzeugen werden die Insassen bei Unfällen mit seitlichem Aufprall zusätzlich
durch Seitenairbags geschützt, die in den Türen des Fahrgastraumes untergebracht
sind. Ein Problem stellt dabei die geringe Distanz des Fahrgastes zur Tür dar, wodurch
nur eine geringe Knautschzone zur Verfügung steht. Für einen wirksamen Schutz des
Fahrgastes bei einem seitlichen Aufprall sollte deshalb der Airbag wesentlich schneller
aktiviert werden als etwa bei einem Frontalzusammenstoß. Andererseits sollte der
Airbag bei geringfügigen Einwirkungen auch nicht unnötig ausgelöst werden.
Üblicherweise werden Airbags durch einen Beschleunigungssensor aktiviert, der hohe
Beschleunigungen detektiert. Problematisch dabei ist, dass der Beschleunigungssensor
erst relativ spät anspricht und bis zum Auslösen der Sicherheitseinrichtungen im
Fahrzeug bereits erhebliche Schäden entstanden sind, wodurch der Fahrgast in
besonderem Maße gefährdet wird.
In der Druckschrift DE 44 45 999 wird ein optoelektronisches Netzwerk mit einem
Lichtwellenleiter beschrieben, der im erwarteten Verformungsbereich eines Automobils
an einem Karosserieteil angeordnet ist. Mit einer Lichtquelle wird Licht in ein Ende des
Lichtwellenleiters eingestrahlt und mit einem optisch-elektrischen Wandler, welcher das
aus einem Ende des Lichtwellenleiters austretende Licht empfängt und ein elektrisches
Signal abgibt, das ein Maß für die Intensität des empfangenen Lichtes ist. Zur
Bestimmung des Verformungsgrades wird beim Lichtsignal entweder das
Transmissionsverhalten oder Rückstreuverhalten des Lichtwellenleiters ausgewertet.
Dabei wird das optoelektronische Netzwerk als Crash-Sensor zugleich als Bestandteil
eines optisch-elektrischen Netzwerkes für die Datenkommunikation verwendet. Die
Reaktionszeit wird im wesentlichen durch den optisch-elektrischen Wandler bestimmt
und beträgt bei diesem System ungefähr 10 ms.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein zuverlässiges Sensorsystem für
Fahrzeuge zur Crasherkennung mit geringst möglicher Zeitverzögerung anzugeben, mit
dem auch eine Ortsauflösung der Verformungsrichtung möglich wird.
Die Erfindung wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 wiedergegeben. Die
weiteren Ansprüche enthalten vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung.
Die Erfindung beinhaltet ein optoelektronisches System zur Crash-Erkennung in
Fahrzeugen, insbesondere in Automobilen, bestehend aus zumindest einem
faseroptischen Sensor aus mindestens einem Lichtwellenleiter und einer Lichtquelle,
die Licht in den Lichtwellenleiter einstrahlt sowie mindestens ein elektrisch-optischer
Wandler, in den das Licht eingekoppelt wird und der ein elektrisches Signal abgibt,
welches zur Crash-Erkennung in einer Auswerteeinheit dient, wobei der
Lichtwellenleiter wenigstens mit einem Teil seiner Länge im erwarteten
Verformungsbereich des Fahrzeugs derart angeordnet ist, dass bei Deformation der
Lichtwellenleiter den Lichtweg unterbricht.
Die erfindungsgemäße Lösung kann beispielsweise zusätzlich zu herkömmlichen
Beschleunigungssensoren eingesetzt werden und so vorteilhafterweise zum nahezu
verzögerungsfreien Erkennen eines Aufpralls dienen. Besonders vorteilhaft kann damit
der hohen Verletzungsgefahr der Fahrzeuginsassen bei einem seitlichen Aufprall mit
schwerer Deformation begegnet werden.
Üblicherweise besteht der Sensor aus mehreren Lichtübertragungsstrecken, die
beispielsweise jeweils eine LED als Sender benutzen, einen faseroptischen
Lichtwellenleiter aus Glas oder Kunststoff, beispielsweise eine Stufenprofilfaser, als
Verbindungsleitung und eine Photodiode oder einen Phototransistor als Detektor. Die
LED wird mit Gleichspannung betrieben, der Detektor liefert ein konstantes oder auch
gepulstes Signal. Ohne Belang sind hierbei Intensitätsänderungen durch
Alterungseffekte oder Temperaturänderungen. Die Reaktionszeit des Photodetektors
beträgt dabei etwa 1 µs. Zur LED benachbart kann ein zweiter Detektor angeordnet sein,
der einen möglichen Ausfall der signalerzeugenden LED feststellt, wodurch eine
Fehlinterpretation eines abfallenden Lichtsignals im Detektor ausgeschlossen wird.
Der Lichtwellenleiter ist so angebracht, dass er bei einer Verformung beispielsweise
des Türbleches eine Kraftfahrzeuges gequetscht wird und bricht. Wird bei einem
Zusammenstoß mit einem Unfallpartner die Seitentüre eingedrückt, dann fällt durch die
Unterbrechung der Faser das Signal im Detektor auf Null ab.
Die Bruchcharakteristik des Lichtwellenleiters kann auf eine vorgegebene Schwere der
Beschädigung am Fahrzeug über dessen Durchmesser oder die
Oberflächenbeschaffenheit eingestellt werden. Stoßdämpfendes Material verzögert eine
Unterbrechung; kammförmige Grate oder Einkerbungen auf der Faseroberfläche
begünstigen eine frühzeitige Unterbrechung. Als Material eignet sich für den
Lichtwellenleiter sowohl Kunststoff wie auch Glas.
Die Geschwindigkeit des Signalabfalles auf Null ist mit der relativen Geschwindigkeit
des Unfallpartners und den Fasereigenschaften definiert. Beispielsweise beträgt bei
einer Geschwindigkeit von 10 m/s und einem Faserdurchmesser von 1 mm die
Zeitdauer des Signalabfalles auf Null lediglich 0.1 Millisekunden. Durch elektronische
Differentiation kann der Abfall auf Null auch in einen kurzen elektrischen Puls
umgewandelt werden, der zur Auslösung von Sicherheitssystemen wie beispielsweise
Airbag dient.
Vorteilhaft ist auch die gemeinsame Verwendung mehrerer unterschiedlicher Sensoren.
Beispielsweise kann der faseroptische Sensor auch mit einem Sensor kombiniert
werden, der die Annäherungsgeschwindigkeit eines möglichen Unfallpartners erfaßt.
Geeignete Systeme zur Messung von Annäherungsgeschwindigkeiten nutzen die
Signalauswertung des Dopplereffektes eines Mikrowellen- oder Ultraschallsignals. Die
Kombination der Sensoren bereitet bei hohen Annäherungsgeschwindigkeiten das
System auf einen starken Aufprall vor, der über den optischen Sensor beim
tatsächlichen Zusammenprall dann nahezu ohne zeitliche Verzögerung die
Sicherheitssysteme auslöst. Andererseits kann für langsam ankommende Fahrzeuge,
die geringe Schäden verursachen und den Fahrgast nicht ernsthaft gefährden können,
eine Auslösung des Airbags vermieden werden. Für Kollisionen mit extrem hoher
Querbeschleunigung kann, ohne vorherige massive Beschädigung von Türen,
vorteilhafterweise das gesamte Sensorsystem zum faseroptischen Sensor zusätzlich
durch Beschleunigungssensoren unterstützt werden. Ziel der geeigneten Kombination
mehrerer Sensoren im Gesamtsystem ist mit hoher Zuverlässigkeit eine Fehlauslösung
des Sicherheitssystems ausschließen.
Besonders vorteilhaft erweist sich die Einbringung von verteilten Reflexionsstellen in die
optische Faser. Damit wird nicht nur ein Bruch irgendwo in einer Faser detektierbar,
sondern es wird auch ein Bruch in dem zwischen zwei Refektionsstellen liegenden
Faserabschnitt erfaßt. Zur Airbagauslösung steht dann die ortsauflösende Information
der in der Faser verteilten Sensoren zur Verfügung. Durch eine geeignete Anordnung
läßt sich nicht nur die Stärke des Aufpralls, sondern auch vorteilhafterweise der
Aufprallwinkel mitbestimmen. Damit wird eine gezielte Aktivierung der
Sicherheitskomponenten im Sicherheitssystem eines Fahrzeuges möglich. Eine
derartige Abstimmung von beispielsweise eines Gurtstraffers in Verbindung mit Seiten-
oder Frontairbags ergibt für die Fahrzeuginsassen eine optimaler Schutz.
Besonders geeignet als Reflexionsstellen sind im Lichtwellenleiter angeordnete
faseroptische Bragg-Gitter. Diese Sensoren können in verschiedenen
Netzwerktopologien über das Fahrzeug verteilt angeordnet werden. Auch die besonders
einfache Applizierung der optischen Faser mit den Bragg-Gitter-Sensoren begünstigt
den Einsatz im gattungsgemäßen Sensorsystem. Meist werden die Lichtwellenleiter
stoffschlüssig mit dem Fahrzeug verbunden. Insbesondere bietet sich eine Intergration
der optischen Faser in Leichtbaustrukturen, bestehend aus faserverstärkten
Verbundmaterialien an, die verstärkt nicht nur in Luft- und Raumfahrt, sondern auch im
Fahrzeugbau eingesetzt werden. Ebenso eignet sich die optische Faser zur Integration
an Außenteilen eines Fahrzeugs in einer flächigen Anordnung und sogar im Lack der
Struktur. Insbesondere wird der Lichtwellenleiter bei einem Kraftfahrzeug auf der
Innenseite der Fahrzeugtüre oder auf der dem äußeren Türblech zugewandten Fläche
der Türversteifungen oder der B-Säule angebracht.
Ein gattungsgemäßes Sensornetz läßt sich nicht nur für die Airbagauslösung ver
wenden, sondern kann beispielsweise auch zur Überwachung und Messung von
Temperatur, Dehnung, Lasten, Druck, Vibration oder als Schmierstoffsensor an anderen
Fahrzeugkomponenten verwendet werden. Durch die exzellente Multiplexfähigkeit
dieser Sensoren läßt sich der Verkabelungs- und Hardwareaufwand auf ein Minimum
reduzieren. Mit dem System können zudem verschiedene Fahrzeugkomponenten,
insbesondere Steuerschaltungen, Unterhaltungselektronik, Diebstahlsicherungs
systeme, Antiblockiersysteme als Datenbus miteinander verbunden werden.
Claims (13)
1. Optoelektronisches System in Fahrzeugen, insbesondere in Automobilen,
bestehend aus zumindest einem faseroptischen Sensor aus mindestens einem
Lichtwellenleiter und einer Lichtquelle, die Licht in den Lichtwellenleiter einstrahlt
sowie mindestens einem elektrisch-optischer Wandler, in den das Licht einge
koppelt wird und der ein elektrisches Signal abgibt, welches zur Crash-Erkennung
in einer Auswerteeinheit dient, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtwellenleiter
wenigstens mit einem Teil seiner Länge im erwarteten Verformungsbereich des
Fahrzeugs derart angeordnet ist, dass bei Deformation der Lichtwellenleiter den
Lichtweg unterbricht.
2. Optoelektronisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der
Lichtwellenleiter über dessen Länge verteilt Reflexionsstellen aufweist.
3. Optoelektronisches System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die
Reflexionsstellen faseroptische Bragg-Gitter sind.
4. Optoelektronisches System nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass
die Brucheigenschaften des Lichtwellenleiter über dessen Durchmesser,
Materialbeschaffenheit und/oder Oberflächenbeschaffenheit bestimmt sind.
5. Optoelektronisches System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der
Lichtwellenleiter aus Kunststoff oder Glas besteht.
6. Optoelektronisches System nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet,
dass der Lichtwellenleiter an der Oberfläche kammförmige Grate oder Kerben
aufweist.
7. Optoelektronisches System nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, dass der Lichtwellenleiter in stoßdämpfendes Material eingebettet
ist.
8. Optoelektronisches System nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, dass der Lichtwellenleiter stoffschlüssig mit dem Fahrzeug
verbunden ist.
9. Optoelektronisches System nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, dass der Lichtwellenleiter flächig im Verformungsbereich
angeordnet ist.
10. Optoelektronisches System nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, dass der Lichtwellenleiter bei einem Kraftfahrzeug auf der
Innenseite der Fahrzeugtüre oder auf der dem äußeren Türblech zugewandten
Fläche der Türversteifungen oder der B-Säule angebracht ist.
11. Optoelektronisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der faseroptische Sensor mit weiteren Sensoren zur
Messung der Annäherungsgeschwindigkeit von Unfallpartnern kombiniert ist.
12. Optoelektronisches System nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der
Sensor zur Messung der Annäherungsgeschwindigkeit ein Mikrowellen- oder
Ultraschallsensor mit Dopplereffektmessung ist.
13. Optoelektronisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass es verschiedene Fahrzeugkomponenten, insbesondere
Steuerschaltungen, Unterhaltungselektronik, Diebstahlsicherungssysteme,
Antiblockiersysteme als Datenbus miteinander verbindet.
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