DE10117397A1 - Sensor zur Detektion von Schmutz und/oder Feuchtigkeit auf einer Außenseite einer Scheibe - Google Patents
Sensor zur Detektion von Schmutz und/oder Feuchtigkeit auf einer Außenseite einer ScheibeInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Sensor (1) und ein Verfahren zur Detektion von Feuchtigkeitstropfen (9) auf einer Außenseite einer Scheibe (2) eines Kraftfahrzeugs. Der Sensor (1) weist mehrere optische Sendeelemente (3, 4, 11) und mindestens ein optisches Empfangselement (5) auf. Die Sendeelemente (3, 4, 11) sind zu zwei Sendezweigen (A, B) zusammengefasst, die zusammen mit dem mindestens einen Empfangselement (5) in einem Regelkreis geschaltet sind. Der Regelkreis regelt die Sendeleistung der Sendeelemente (3, 4, 11) zweigweise, damit die Lichtleistung der von dem Empfangselement (5) empfangenen und von den Sendeelementen (3, 4, 11) der beiden Sendezweige (A, B) ausgesandten optischen Strahlen gleich groß sind. Um mit dem Sensor (1) auch langsame dynamische Vorgänge detektieren zu können, wird vorgeschlagen, dass der Sensor (1) Mittel zum Abspeichern von Ausgangswerten (y_i_anf) für Ansteuersignale für die Sendeelemente (3, 4, 11) vor dem Betrieb des Sensors (1) und Mittel zum Ermitteln einer statischen Regelabweichung (x_d_stat) aus der Differenz der aktuellen Werte (y_i)für die Ansteuersignale und der Ausgangswerte (y_i_anf) während des Betriebs des Sensors (1) aufweist.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sensor zur Detektion
von Schmutz und oder Feuchtigkeit auf einer Außenseite eines
optisch durchlässigen Körpers. Der Sensor ist auf der
Innenseite des Körpers angeordnet und weist mehrere optische
Sendeelemente und mindestens ein optisches Empfangselement
auf. Die Sendeelemente sind zu mindestens zwei Sendezweigen
zusammengefasst, die zusammen mit dem mindestens einen
Empfangselement in einem Regelkreis geschaltet sind. Der
Regelkreis sorgt für eine zweigweise Variation der
Sendeleistung der Sendeelemente mit dem Ziel, die
Lichtleistung der von dem Empfangselement empfangenen, von dem
mindestens einen Sendeelement des ersten Sendezweigs
ausgesandten und an der Außenseite des optisch durchlässigen
Körpers reflektierten Strahlen gleich der Lichtleistung der
von dem Empfangselement empfangenen, von dem mindestens einen
Sendeelement des zweiten Sendezweigs ausgesandten
reflektierten Strahlen zu regeln.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Betrieb
eines Sensors zur Detektion von Schmutz und/oder Feuchtigkeit
auf einer Außenseite eines optisch durchlässigen Körpers. Der
Sensor weist mehrere optische Sendeelemente und mindestens ein
Empfangselement auf. Bei dem Verfahren werden die
Sendeelemente zu zwei mindestens Sendezweigen zusammengefasst,
die zusammen mit dem mindestens einen Empfangselement in einem
Regelkreis geschaltet werden. Durch den Regelkreis wird die
Sendeleistung der Sendeelemente mit dem Ziel zweigweise
variiert, die Lichtleistung der von dem Empfangselement
empfangenen, von dem mindestens einen Sendeelement des ersten
Sendezweigs ausgesandten und an der Außenseite des optisch
durchlässigen Körpers reflektierten Strahlen gleich der
Lichtleistung der von dem Empfangselement empfangenen, von dem
mindestens einen Sendeelement des zweiten Sendezweigs
ausgesandten reflektierten Strahlen zu regeln.
Die vorliegende Erfindung betrifft des weiteren ein
Speicherelement für ein Steuergerät eines Sensors zur
Detektion von Schmutz und/oder Feuchtigkeit auf einem optisch
durchlässigen Körper. Auf dem Speicherelement ist ein
Computerprogramm abgespeichert, das auf einem Rechengerät,
insbesondere auf einem Mikroprozessor, ablauffähig ist. Als
Speicherelement kann insbesondere ein Read-Only-Memory, ein
Random-Access-Memory oder ein Flash-Memory zur Anwendung
kommen.
Schließlich betrifft die Erfindung ein Steuergerät für einen
Sensor zur Detektion von Schmutz und/oder Feuchtigkeit auf
einem optisch durchlässigen Körper. Das Steuergerät umfasst
ein Rechengerät, insbesondere einen Mikroprozessor, und ein
Speicherelement. Der Sensor weist mehrere optische
Sendeelemente und mindestens ein Empfangselement auf, wobei
die Sendeelemente zu mindestens zwei Sendezweigen
zusammengefasst sind, die zusammen mit dem mindestens einen
Empfangselement in einem Regelkreis geschaltet sind. Der
Regelkreis sorgt für eine zweigweise Variation der
Sendeleistung der Sendeelemente mit dem Ziel, die
Lichtleistung der von dem Empfangselement empfangenen, von dem
mindestens einen Sendeelement des ersten Sendezweigs
ausgesandten und an der Außenseite des optisch durchlässigen
Körpers reflektierten Strahlen gleich der Lichtleistung der
von dem Empfangselement empfangenen, von dem mindestens einen
Sendeelement des zweiten Sendezweigs ausgesandten
reflektierten Strahlen zu regeln.
Sensoren der eingangs genannten Art sind aus dem
Kraftfahrzeugbereich in unterschiedlichen Ausführungsformen
zur Detektion von Regentropfen auf der Außenseite einer
Fahrzeugscheibe bekannt. Die Sendeelemente der bekannten
Sensoren sind derart ausgerichtet, dass ein Großteil der von
den Sendeelementen ausgesandten optischen Strahlen ohne
Feuchtigkeitstropfen an der Außenseite der Scheibe auf das
Empfangselement reflektiert wird. Die von den Sendeelementen
ausgesandten optischen Strahlen werden beim Auftreffen auf
Feuchtigkeitstropfen auf der Außenseite der Scheibe zumindest
teilweise aus der Scheibe ausgekoppelt und treffen somit nicht
auf das Empfangselement.
Bei den bekannten Sensoren sind üblicherweise jeweils mehrere
Sendeelemente zu zwei Sendezweigen zusammengefasst. Die
Sendeelemente der zwei Sendezweige werden abwechselnd mit
Rechteckimpulsen einer Frequenz von ca. 31 kHz angesteuert und
senden abwechselnd entsprechende optische Strahlen im Infrarot
(IR)-Bereich aus. Es ist ein Empfangselement vorgesehen, das
abwechselnd Lichtstrahlen, die von den Sendeelementen des
ersten Sendezweigs ausgesandt wurden, und Lichtstrahlen
empfängt, die von den Sendeelementen des zweiten Sendezweigs
ausgesandt wurden (sog. Synchrondemodulation). Zwischen beiden
Zweigen wird aus den jeweils empfangenen Signalen eine
Differenz gebildet. Das Differenzsignal wird von einer
geeigneten Empfängerschaltung ausgewertet. Die
Empfängerschaltung erzeugt ein pulsweitenmoduliertes (PWM)-
Signal, das Informationen über Größe und Anzahl der auf der
Außenseite der Scheibe vorhandenen Regentropfen enthält.
Die Empfängerschaltung und die Ansteuerung der beiden
Sendezweige sind in einem Regelkreis geschaltet. Der
Regelkreis sorgt für eine Variation der Sendeleistung der
Sendeelemente mit dem Ziel, die Lichtleistung der von dem
Empfangselement empfangenen, von den Sendeelementen des ersten
Sendezweigs ausgesandten und an der Außenseite der Scheibe
reflektierten Strahlen gleich der Lichtleistung der von dem
Empfangselement empfangenen, von den Sendeelementen des
zweiten Sendezweigs ausgesandten und reflektierten Strahlen zu
regeln. Die Regelung dient zum Ausregeln von Störeinflüssen
auf die Regenerkennung. Störeinflüsse können bspw. Kratzer auf
der Scheibe oder eine Alterung der elektrischen Bauteile des
Sensors sein. Die Regelung der Lichtleistung ist relativ
langsam (etwa 4 Hz), damit einerseits langsame dynamische
Veränderungen ausgeregelt werden, andererseits aber schnelle
dynamische Veränderungen aufgrund von Regentropfen auf der
Scheibe nach wie vor detektierbar sind. Die Regelung bewirkt,
dass der Sensor stets in seinem Arbeitspunkt betrieben wird,
wodurch die Detektionsgenauigkeit und -zuverlässigkeit erhöht
wird.
Der bekannte Sensor hat jedoch den Nachteil, dass Vorgänge mit
einer sehr geringen Dynamik, die fast schon als statische
Vorgänge bezeichnet werden können, wie bspw. eine sich über
Minuten, Stunden oder gar Tage auf der Scheibe bildende
Schmutzschicht, durch die Regelung ausgeregelt werden und
deshalb nicht detektiert werden können.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
Möglichkeit zu schaffen, mit einem Sensor der eingangs
genannten Art auch Vorgänge mit einer sehr geringen Dynamik
sicher und zuverlässig detektieren zu können.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ausgehend von
dem Sensor der eingangs genannten Art vor, dass der Sensor
Mittel zum Abspeichern von Ausgangswerten für Ansteuersignale
für die Sendeelemente vor dem Betrieb des Sensors und Mittel
zum Ermitteln einer statischen Regelabweichung aus der
Differenz der aktuellen Werte für die Ansteuersignale und der
abgespeicherten Ausgangswerte während des Betriebs des Sensors
aufweist.
Der erfindungsgemäße Sensor umfasst mehrere zu Sendezweigen
zusammengefasste Sendeelemente und mindestens ein
Empfangselement, das die von den Sendeelementen ausgesandten
und an der Außenseite des Körpers reflektierten optischen
Strahlen empfängt. Die Ansteuerung der Sendeelemente und die
Empfangselektronik sind Teil eines Regelkreises zur Regelung
der Leistung der empfangenen Lichtstrahlen durch Variation der
Ansteuersignale für die Sendeelemente. Durch diese Regelung
werden Vorgänge mit einer langsamen Dynamik (z. B. Auswirkungen
einer Bauteilalterung oder Auswirkungen von Kratzern auf dem
optisch durchlässigen Körper) ausgeregelt.
Zusätzlich werden bei dem erfindungsgemäßen Sensor die
Ausgangswerte der Ansteuersignale vor dem Betrieb des Sensors
erfasst und abgespeichert. Während des Betriebs des Sensors
treten langsame dynamische Veränderungen auf, die ausgeregelt
werden. Nach außen hin bleibt also die Lichtleistung der von
den Sendezweigen empfangenen Lichtstrahlen trotz Störungen bis
auf eine dynamische Regelabweichung im wesentlichen konstant.
Die dynamische Regelabweichung wird jedoch innerhalb kurzer
Zeit ausgeregelt. Um trotz der auf die Sendezweige
unterschiedlich wirkenden Störungen die Lichtleistung der
Sendezweige auf einem im wesentlichen gleichen Niveau zu
halten, werden die Sendeelemente der Sendezweige mit
unterschiedlichen Ansteuersignalen angesteuert. Intern kommt
es also zu einer statischen Regelabweichung, die sich aus der
Differenz der abgespeicherten Ausgangswerte und der aktuellen
Werte der Ansteuersignale ergibt. Erfindungsgemäß wird die
statische Regelabweichung zur Detektion von sehr langsamen
dynamischen Vorgängen herangezogen. Die statische
Regelabweichung ermöglicht eine sichere und zuverlässige
Aussage über das Vorhandensein von sehr langsamen Vorgängen.
Während des Betriebs des Sensors kann es von Zeit zu Zeit
erforderlich sein, neue Ausgangswerte für die Ansteuersignale
zu speichern, d. h. den Sensor zu kalibrieren. Auf diese Weise
kann verhindert werden, dass Kratzer auf dem optisch
durchlässigen Körper oder eine Bauteilalterung, die ebenfalls
zu einer statischen Regelabweichung führen, eine falsche
Detektion von Schmutzpartikeln auf der Außenseite des Körpers
verursachen. In den neu abgespeicherten Ausgangswerten sind
die Auswirkungen von Kratzern oder Bauteilalterung auf die
Lichtleistung der empfangenen Strahlen berücksichtigt.
Der Sensor kann entweder in regelmäßigen zeitlichen Abständen
oder ereignisgesteuert kalibriert werden. Wenn bspw.
verschiedene Massnahmen zur Reinigung und/oder Trocknung einer
Scheibe eines Kraftfahrzeugs (z. B. Wischen, Spritzen,
Intensivreinigung, etc.) ohne Erfolg bleiben, könnte die
ermittelte stationäre Regelabweichung ihre Ursache nicht in
einer Verschmutzung der Scheibe, sondern bpsw. in Kratzern auf
der Scheibe oder einer Alterung der Sensorbauteile haben. Ein
Kalibrieren des Sensors kann in einer solchen Situation
Abhilfe schaffen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden
Erfindung wird vorgeschlagen, dass mindestens ein Sendeelement
des ersten Sendezweigs derart ausgerichtet ist, dass ein
Großteil der von dem Sendeelement ausgesandten optischen
Strahlen ohne Feuchtigkeitstropfen an der Außenseite des
Körpers auf das mindestens eine Empfangselement reflektiert
wird, und mindestens ein Sendeelement des zweiten Sendezweigs
derart ausgerichtet ist, dass ein Großteil der von dem
weiteren Sendeelement ausgesandten optischen Strahlen ohne
Schmutzpartikel auf der Außenseite des Körpers an der
Außenseite aus dem Körper ausgekoppelt wird. Gemäß dieser
Weiterbildung des erfindungsgemäßen Sensors dienen also ein
Teil der Sendeelemente des ersten Sendezweigs zur Detektion
von Feuchtigkeitstropfen auf der Außenseite der Scheibe und
ein anderer Teil der Sendeelemente des zweiten Sendezweigs zur
Detektion von sehr langsamen dynamischen Vorgängen, wie bspw.
einer Verschmutzung auf der Außenseite einer Scheibe.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird
vorgeschlagen, dass die von dem mindestens einen Sendeelement
ausgesandten optischen Strahlen beim Auftreffen auf
Feuchtigkeitstropfen auf der Außenseite des Körpers zumindest
teilweise aus dem Körper ausgekoppelt werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
wird vorgeschlagen, dass die von dem mindestens einen weiteren
Sendeelement ausgesandten optischen Strahlen beim Auftreffen
auf Schmutzpartikel auf der Außenseite des Körpers zumindest
teilweise an der Außenseite des Körpers auf das mindestens
eine Empfangselement reflektiert werden.
Vorteilhafterweise sind in dem ersten Sendezweig diejenigen
Sendeelemente zusammengefasst, die derart ausgerichtet sind,
dass ein Großteil der von diesen Sendeelementen ausgesandten
optischen Strahlen ohne Feuchtigkeitstropfen an der Außenseite
des Körpers auf das mindestens eine Empfangselement
reflektiert wird, und in dem zweiten Sendezweig die weiteren
Sendeelemente zusammengefasst, die derart ausgerichtet sind,
dass ein Großteil der von den weiteren Sendeelementen
ausgesandten optischen Strahlen ohne Schmutzpartikel auf der
Außenseite des Körpers an der Außenseite aus dem Körper
ausgekoppelt wird. Demnach sind also diejenigen Sendeelemente,
die zur Detektion von Feuchtigkeitstropfen dienen, in dem
ersten Sendezweig zusammengefasst und diejenigen
Sendeelemente, die zur Detektion von Schmutzpartikeln dienen,
in dem zweiten Sendezweig zusammengefasst.
Um auch bei einer sauberen Scheibe ohne Schmutzpartikel auf
der Scheibe in dem zweiten Sendezweig einen geschlossenen
Regelkreis zu haben, sollten auch bei einer sauberen Scheibe
Lichtstrahlen von mindestens einem der Sendeelemente des
zweiten Sendezweigs zu dem Empfangselement gelangen. Dazu wird
vorgeschlagen, dass in dem zweiten Sendezweig mindestens ein
zusätzliches Sendeelement vorgesehen ist, das derart
ausgerichtet ist, dass ein Anteil der von dem zusätzlichen
Sendeelement ausgesandten optischen Strahlen ohne
Schmutzpartikel an der Außenseite des Körpers auf das
mindestens eine Empfangselement reflektiert wird. Die
Lichtstrahlen der übrigen Sendeelemente des zweiten
Sendezweigs werden bei sauberer Scheibe größtenteils aus der
Scheibe ausgekoppelt.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der
vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass die
Sendeelemente einzeln oder zu mehreren nacheinander optische
Strahlen aussenden und das oder jedes Empfangselement synchron
zum Aussenden der optischen Strahlen durch die sendenden
Sendeelemente an der Außenseite des optisch durchlässigen
Körpers reflektierte Strahlen empfängt und diese einer
Auswertung zuführt. Der Betrieb eines Sensors mit einem
Empfangselement, das zum abwechselnden Empfangen von
Lichtstrahlen der Sendeelemente des ersten Sendezweigs und von
Lichtstrahlen der Sendeelemente des zweiten Sendezweigs
synchron zum Senden der Lichtstrahlen durch die Sendeelemente
umgeschaltet wird, wird auch als Synchrondemodulation
bezeichnet.
Als eine weitere Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung
wird ausgehend von dem Verfahren der eingangs genannten Art
vorgeschlagen, dass vor dem Betrieb des Sensors Ausgangswerte
für Ansteuersignale für die Sendeelemente abgespeichert werden
und während des Betriebs des Sensors eine statische
Regelabweichung aus der Differenz der aktuellen Werte für die
Ansteuersignale und der Ausgangswerte ermittelt wird.
Von besonderer Bedeutung ist die Realisierung des
erfindungsgemäßen Verfahrens in der Form eines
Speicherelements, das für ein Steuergerät eines Sensors zur
Detektion von Schmutz und/oder Feuchtigkeit auf einem optisch
durchlässigen Körper, insbesondere auf einer Scheibe eines
Kraftfahrzeugs, vorgesehen ist. Dabei ist auf dem
Speicherelement ein Computerprogramm abgespeichert, das auf
einem Rechengerät, insbesondere auf einem Mikroprozessor,
ablauffähig und zur Ausführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens geeignet ist. In diesem Fall wird also die
Erfindung durch ein auf dem Speicherelement abgespeichertes
Programm realisiert, so dass dieses mit dem Computerprogramm
versehene Speicherelement in gleicher Weise die Erfindung
darstellt wie das Verfahren, zu dessen Ausführung das Programm
geeignet ist. Als Speicherelement kann insbesondere ein
elektrisches Speichermedium zur Anwendung kommen, bspw. ein
Read-Only-Memory, ein Random-Access-Memory oder ein Flash-
Memory.
Schließlich wird als noch eine weitere Lösung der Aufgabe der
vorliegenden Erfindung ausgehend von dem Steuergerät der
eingangs genannten Art vorgeschlagen, dass das Steuergerät
Mittel zum Abspeichern von Ausgangswerten für Ansteuersignale
für die Sendeelemente vor dem Betrieb des Sensors und Mittel
zum Ermitteln einer statischen Regelabweichung aus der
Differenz der aktuellen Werte für die Ansteuersignale und der
Ausgangswerte während des Betriebs des Sensors aufweist.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden
Erfindung wird vorgeschlagen, dass auf dem Speicherelement ein
Computerprogramm abgespeichert ist, das auf dem Rechengerät
ablauffähig und zur Ausführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens geeignet ist.
Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der
Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von
Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in der Zeichnung
dargestellt sind. Dabei bilden alle beschriebenen oder
dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination
den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer
Zusammenfassung in den Patentansprüche oder deren
Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw.
Darstellung in der Beschreibung bzw. in der Zeichnung. Es
zeigen:
Fig. 1 eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Sensors
zur Detektion von Feuchtigkeitstropfen und
Schmutzpartikel auf der Außenseite einer Scheibe
eines Kraftfahrzeugs bei trockener und sauberer
Scheibe im Schnitt;
Fig. 2 eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Sensor;
Fig. 3 den Strahlengang eines Sendeelements des Sensors aus
Fig. 1 zur Detektion von Feuchtigkeitstropfen bei
trockener Scheibe;
Fig. 4 den Stahlengang des Sendeelements aus Fig. 3 bei
nasser Scheibe;
Fig. 5 den Strahlengang eines Sendeelements des Sensors aus
Fig. 1 zur Detektion von Schmutzpartikel bei
sauberer Scheibe;
Fig. 6 den Stahlengang des Sendeelements aus Fig. 5 bei
schmutziger Scheibe;
Fig. 7 einen Blockschaltplan einer Regelung, wie sie in
einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Detektion von
Feuchtigkeitstropfen und Schmutzpartikel auf der
Außenseite einer Scheibe eines Kraftfahrzeugs bei
trockener und sauberer Scheibe realisiert ist;
Fig. 8 ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahens;
Fig. 9 einen einfachen Auswertealgorithmus zur Verarbeitung
von Ausgangssignalen des Sensors; und
Fig. 10 ein erfindungsgemäßes Steuergerät für einen Sensor
gemäß Fig. 1.
In Fig. 1 ist einer erfindungsgemäßer Sensor zur Detektion
von Feuchtigkeitstropfen und Schmutzpartikel auf der
Außenseite einer Scheibe eines Kraftfahrzeugs in seiner
Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet. Die Scheibe ist
mit dem Bezugszeichen 2 bezeichnet und kann eine beliebige
Scheibe, insbesondere eine Windschutzscheibe oder eine
Heckscheibe sein. Der Sensor 1 umfasst mehrere Sendeelemente
3, 4, von denen in Fig. 1 nur zwei dargestellt sind, und ein
Empfangselement 5, das von den Sendeelementen 3, 4 ausgesandte
und von der Außenseite der Scheibe 2 reflektierte optische
Strahlen empfängt. Die Sendeelemente 3, 4 sind als
Lumineszenzdioden (LED) ausgebildet, die optische Strahlen im
Infrarot (IR)-Frequenzbereich aussenden. Die IR-Doden haben
enien Abstrahlwinkel von bspw. +/-600.
Die Sendeelemente 3, 4 und das Empfangselement 5 sind auf
einer gedruckten Leiterplatte (printed circuit board, PCB) 6
befestigt und schaltungstechnisch in die elektrische Schaltung
des Sensors 1 integriert. Auf der Innenseite der Scheibe 2 ist
ein optisches Klebeband 7 und darauf wiederum ein Optikmodul 8
angeordnet, durch das die von den Sendeelementen 3, 4
ausgesandten Strahlen parallelisiert werden, so dass mehr
Strahlen auf das Empfangselement 5 treffen und die Lichtstärke
des Empfangssignals größer ist. Das Klebeband 7 dient als
Koppelelement und hat näherungsweise den gleichen
Brechungsindex wie das Glas der Scheibe 2, so dass
Lichtstrahlen beim Übergang von dem Klebeband 7 in die Scheibe
2 keine zusätzliche Brechung erfahren. Der erfindungsgemäße
Sensor 1 funktioniert jedoch auch ohne das in Fig. 1
dargestellte Optikmodul 8.
Der erfindungsgemäße Sensor 1 kann Regen und Schmutz auf der
Scheibe 2 detektieren. In Abhängigkeit von einem
Ausgangssignal des Sensors 1 bzw. der daran angeschlossenen
Auswerteelektronik wird das Wisch- bzw. Waschsystem der
Scheibe 2 automatisch aktiviert. Durch den Sensor 1 kann die
Sicherheit in einem Kraftfahrzeug entscheidend verbessert
werden, da eine beliebige Sichtbehinderung durch Regen, Eis,
Schnee oder Schmutz frühzeitig erkannt und automatisch,
frühzeitig und wirkungsvoll beseitigt werden kann.
Der erfindungsgemäße Sensor 1 ist als ein sog. On-the-glass-
Sensor ausgebildet, der unmittelbar, d. h. ohne Luftstrecken
zwischen den Sende-/Empfangselementen 3, 4, 5 und der Scheibe
2, an der Innenseite der Scheibe 2 befestigt ist. Dadurch kann
ein negativer Einfluss durch eine von Innen beschlagene
Scheibe 2 verhindert werden. Es kann auf ein Optikmodul 8
verzichtet werden, was zu Kosteneinsparungen führt. Die
Auswerteelektronik für die Ausgangssignale des Sensors 1 sitzt
direkt an dem Sensor 1 und wird zusammen mit dem Sensor 1 an
der Scheibe 2 befestigt.
In Fig. 1 ist deutlich zu erkennen, dass die von dem
Sendeelement 3 ausgesandten Lichtstrahlen bei trockener und
sauberer Scheibe 2 zum Großteil an der Außenseite der Scheibe
2 auf das Empfangselement 5 reflektiert werden (vgl. Fig. 3).
Wenn auf der Außenseite der Scheibe 2 jedoch ein
Feuchtigkeitstropfen 9 vorliegt (vgl. Fig. 4), wird ein Teil
der von dem Sendeelement 3 ausgesandten Lichtstrahlen an der
Außenseite des Tropfens 9 ausgekoppelt oder derart
reflektiert, dass die reflektierten Lichtstrahlen nicht auf
das Empfangselement 5 treffen. Ebenso ist in Fig. 1 zu
erkennen, dass die von dem Sendeelement 4 ausgesandten
Lichtstrahlen zum Großteil an der Außenseite der Scheibe 2 aus
dieser ausgekoppelt werden und nicht auf das Empfangselement 5
treffen (vgl. Fig. 5). Wenn auf der Außenseite der Scheibe 2
jedoch ein Schmutzfilm bestehend aus einer Vielzahl von
Schmutzpartikeln 10 vorliegt (vgl. Fig. 6), wird ein Großteil
der von dem Sendeelement 4 ausgesandten Lichtstrahlen an der
Außenseite der Scheibe 2 auf das Empfangselement 5
reflektiert. Das Sendeelement 3 dient also zur Detektion von
Feuchtigkeitstropfen auf der Scheibe 2, und das Sendeelement 4
dient zur Detektion von Schmutzpartikeln auf der Scheibe 2.
In Fig. 2 ist eine Draufsicht auf den Sensor 1 mit einer
beispielhaften Anordnung der Sende-/Empfangselemente 3, 4, 5
dargestellt. Die Sendeelemente 3 sind zu einem ersten
Sendezweig zusammengefasst, und die Sendeelemente 4 sind mit
einem zusätzlichen Sendeelement 11 zu einem zweiten Sendezweig
zusammengefasst. Der Abstand der Sendeelemente 3 für die
Regenerkennung zu dem Empfangselement 5 wird über das
Reflexionsgesetz berechnet. Der Abstand der Sendeelemente 4
für die Schmutzerkennung zu dem Empfangselement 5 ist kleiner,
so dass die reflektierten Lichtstrahlen bei sauberer Scheibe 2
nicht auf das Empfangselement 5 treffen. Das Sendeelement 11
hat einen etwas kleineren Abstand als den Reflexionsabstand zu
dem Empfangselement 5. Dadurch wird von dem Sendeelement 11
auch bei sauberer und trockener Scheibe 2 ein gewisser Anteil
der Strahlen auf das Empfangselement 5 reflektiert.
In der Auswerteelektronik des Sensors 1 wird die Sendeleistung
der Sendeelemente 3, 4, 11 derart variiert, dass die Leistung
der an dem Empfangselement 5 empfangenen, von den
Sendeelementen 3 des ersten Sendezweigs ausgesandten optischen
Strahlen gleich der Leistung der an dem Empfangselement 5
empfangenen, von den Sendeelementen 4, 11 des zweiten
Sendezweigs ausgesandten optischen Strahlen ist. Es wird also
die Sendeleistung der Sendeelemente 3, 4, 11 derart geregelt,
dass die empfangene Lichtleistung des ersten Sendezweigs
gleich der empfangenen Lichtleistung des zweiten Sendezweigs
ist. Zwischen beiden Zweigen wird aus den empfangenen Signalen
eine Differenz (dynamische Regelabweichung) gebildet. Die
Differenz entsteht durch die Einwirkung der Regentropfen 9
bzw. der Schmutzpartikel 10 auf der Scheibe 2 und wird durch
die Regelung wieder ausgeglichen. So lange eine dynamische
Regelabweichung anliegt wird das Ausgangssignal erzeugt. In
Abhängigkeit von dem Ausgangssignal wird ein pulsweiten- und
frequenzmoduliertes (PWM)-Signal erzeugt, das abhängig ist von
der Anzahl und der Größe der Regentropfen 9. Durch die
Leistungsregelung können die Auswirkungen von sich langsam
ändernden Störsignalen, bspw. aufgrund von Bauteilalterungen
oder Kratzer auf der Scheibe 2, ausgeregelt werden. Der Sensor
1 wird also immer in seinem Arbeitspunkt betrieben. Das
zusätzliche Sendeelement 11 dient dazu, den Regelkreis über
die Ansteuerschaltungen der Sendeelemente 4, 11 des zweiten
Sendezweigs und das Empfangselement 5 bei sauberer und
trockener Scheibe 2 zu schließen.
Die Sendeleistung der Sendeelemente 3, 4, 11 kann über ein
Ansteuersignal (vgl. Stellgröße y_i in Fig. 7) für die
Sendeelemente 3, 4, 11, insbesondere über den Ansteuerstrom,
variiert werden. Bei dem erfindungsgemäßen Sensor 1 wird
zusätzlich zu der oben beschriebenen Leistungsregelung eine
stationäre Regelabweichung x_d_stat bestimmt. Dazu werden vor
dem Betrieb des Sensors 1 die Ausgangswerte der
Ansteuersignale y_i_anf für die Sendeelemente 3, 4, 11
abgespeichert. Während des Betriebs des Sensors 1 werden dann
die aktuellen Werte der Ansteuersignale y_i ermittelt und die
Differenz zu den abgespeicherten Werten y_i anfgebildet. Die
Differenz y_i_anf - y_i entspricht der stationären
Regelabweichung x_d_stat. So lange eine stationäre
Regelabweichung anliegt bzw. so lange die stationäre
Regelabweichung einen vorgebbaren Grenzwert überschreitet,
wird ein Ausgangssignal erzeugt. In Abhängigkeit von dem
Ausgangssignal wird ein weiteres pulsweiten- und
frequenzmoduliertes (PWM)-Signal erzeugt, das u. a. abhängig
ist von der Anzahl und der Größe der Schmutzpartikel 10. Bei
dem erfindungsgemäßen Sensor 1 wird also der zur Nachregelung
des Regelkreises notwendige Ansteuerstrom für die
Sendeelemente 3, 4, 11 als Maß für die auf den Regelkreis
wirkenden Störgrößen z herangezogen.
Der Blockschaltplan des entsprechenden Regelkreises ist in
Fig. 7 dargestellt. Die optischen Strecken (Regelstrecken)
der Sendezweige sind mit A und B bezeichnet. Die Lichtleistung
(Regelgröße) ist mit x_A bzw. x_B bezeichnet. Die
Führungsgröße ist mit w bezeichnet. Die dynamische
Regelabweichung als Differenz von Sollwert w und Istwert x_A,
x_B ist mit x_d bezeichnet. Ein Regler 12 führt die Regelung
der Lichtleistung x_A = x_B aus. Das Ausgangssignal des
Reglers 12 sind verschiedene Ansteuerströme y_i (Stellgröße),
die auf die Sendeelemente 3 bzw. 4, 11 der Sendezweige A bzw.
B wirken. Außerdem wirken auf die Sendezweige A, B
verschiedene Störgrößen z.
Von Zeit zu Zeit oder ereignisorientiert (wenn bspw. bestimmte
Reinigungsmaßnahmen nicht den gewünschtn Erfolg haben) kann es
erforderlich sein, neue Ausgangswerte für die Ansteuersignale
zu speichern, d. h. den Sensor 1 zu kalibrieren. Auf diese
Weise kann verhindert werden, dass Kratzer auf der Scheibe 2
oder eine Alterung der Bauteile des Sensors 1 zu einer
falschen Detektion von Schmutzpartikeln 10 auf der Außenseite
der Scheibe 2 führt. Es ist auch denkbar, den Sensor 1 durch
einen Temperaturfühler (nicht dargestellt) zu ergänzen und das
Ausgangssignal des Temperaturfühlers bei der Bewertung und
Verarbeitung der Ausgangssignale des Sensors 1 heranzuziehen.
Als Temperaturfühler eignet sich insbesondere ein
Themeroelement, ein PT100 oder ein Halbleiterbauelement. Mit
Hilfe des Temperaturfühlers kann Eis und Schnee auf der
Scheibe 2 detektiert werden, und es können geeignete Maßnahmen
zur Beseitigung ergriffen werden.
In Fig. 8 ist ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen
Verfahrens dargestellt. Es beginnt in einem Funktionsblock 20.
In einem Funktionsblock 21 werden vor dem Betrieb des Sensors
1 Ausgangswerte y_i_anf für die Ansteuersignale y_i der
Sendeelemente 3, 4, 11 abgespeichert. Dann wird in einem
Funktionsblock 22 die oben beschriebene Regelung der
Lichtleistung ausgeführt. Durch einen geeignenten Algorithmus
wird das von der Anzahl und der Größe der Regentropfen 9
abhängige PWM-Signal 23 erzeugt und ausgegeben. In einem
Funktionsblock 24 werden dann während des Betriebs des Sensors
1 die aktuellen Werte für die Ansteuersignale y_i erfasst.
Anschließend wird in einem Funktionsblock 25 die stationäre
Regeldifferenz x_d_stat aus der Differenz der Ausgangswerte
y_i_anf und der aktuellen Werte y_i der Ansteuersignale
ermittelt. In einem Abfrageblock 26 wird überprüft, ob die
ermittelte stationäre Regeldifferenz x_d_stat oberhalb eines
vorgebbaren Grenzwerts x_d_grenz liegt. Falls nein, wird
wieder zu dem Funktionsblock 22 verzweigt und das Verfahren
dort fortgesetzt. Anderenfalls wird in einem Funktionsblock 27
das weitere von der Anzahl und der Größe der Schmutzpartikel
10 abhängige PWM-Signal 28 anhand eines geeigneten Algorithmus
erzeugt und ausgegeben. Anschließend wird zu dem
Funktionsblock 22 verzweigt und das Verfahren dort
fortgesetzt.
In Fig. 9 ist ein beispielhafter Auswertealgorithmus für die
Ausgangssignale des Sensors 1 anhand eines Zustanddiagramms
dargestellt. Der Algorithmus beginnt in einem Zustand 30 und
geht dann in einen Zustand 31 über, in dem mit der Messung
durch den Sensor 1 begonnen wird. Für eine Messung in dem
ersten Sendezweig wird in einen Zustand 32 übergegangen, in
dem die Außenseite der Scheibe 2 auf Feuchtigkeitstropfen 9
untersucht wird. Falls keine Tropfen 9 detektiert werden, wird
aus dem Zustand 32 wieder in den Zustand 31 übergegangen.
Anderenfalls wird aus dem Zustand 32 in einen Zustand 33
übergegangen, in dem die Scheibe 2 gewischt wird. Nach dem
Wischen geht der Algorithmus wieder in den Zustand 31 über.
Für eine Messung in dem zweiten Sendezweig wird in einen
Zustand 34 übergegangen, in dem die Außenseite der Scheibe 2
auf Feuchtigkeitstropfen 9 und auf Schmutzpartikel 10
untersucht wird. Falls keine Schmutzpartikel 10 detektiert
werden, wird aus dem Zustand 34 wieder in den Zustand 31
übergegangen. Falls feuchte Schmutzpartikel 10 auf der Scheibe
2 detektiert werden, wird aus dem Zustand 34 in den Zustand 33
übergegangen, in dem die Scheibe 2 gewischt wird. Nach dem
Wischen geht der Algorithmus wieder in den Zustand 31 über.
Falls trockene Schmutzpartikel 10 auf der Scheibe 2 detektiert
werden, wird aus dem Zustand 34 in einen Zustand 35
übergegangen, in dem die Scheibe 2 gewaschen und gewischt
wird. Nach dem Waschen und Wischen geht der Algorithmus wieder
in den Zustand 31 über.
In Fig. 10 ist ein erfindungsgemäßes Steuergerät in seiner
Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 40 bezeichnet. Das
Steuergerät 40 ist für den Sensor 1 zur Detektion von
Feuchtigkeitstropfen 9 uns Schmutzpartikel 10 auf der Scheibe
2 vorgesehen. Das Steuergerät 40 umfasst ein Rechengerät 41,
insbesondere einen Mikroprozessor, und ein Speicherelement 42.
Das Speicherelement ist vorzugsweise als ein Flash-Memory
ausgebildet. Auf dem Speicherelement ist ein auf dem
Rechengerät 41 ablauffähiges und zur Ausführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens geeignetes Computerprogramm
abgespeichert. Zur Ausführung des Computerprogramms wird
dieses über eine Datenverbindung 43 entweder als ganzes oder
abschnitts- oder befehlsweise aus dem Speicherelement 42 in
das Rechengerät 41 übertragen. Das Steuergerät 40 empfängt
u. a. Signal x_i von dem Empfangselement 5, das der
Lichtleistung der empfangen Lichstrahlen der Sendezweige A, B
entspricht. In Abhängigkeit von dem empfangenen Signal x_i
werden Ansteuersignale y_i für die Sendeelemente 3, 4, 11
generiert und an diese bzw. an Endstufen für die Sendeelemente
3, 4, 11 ausgegeben. Das Steuergerät 40 gibt außerdem die PWM-
Signale 23 und 28 aus, die Informationen über die Anzahl und
Größe von auf der Scheibe 2 detektierten Feuchtigkeitstropfen
9 und Schmutzpartikel 10 enthalten.
Claims (11)
1. Sensor zur Detektion von Schmutz und/oder Feuchtigkeit auf
einer Außenseite eines optisch durchlässigen Körpers (2),
wobei der Sensor (1) auf der Innenseite des Körpers (2)
angeordnet ist und mehrere optische Sendeelemente (3, 4,
11) und mindestens ein optisches Empfangselement (5)
aufweist und die Sendeelemente (3, 4, 11) zu mindestens
zwei Sendezweigen (A, B) zusammengefasst sind, die
zusammen mit dem mindestens einen Empfangselement (5) in
einem Regelkreis geschaltet sind, der für eine zweigweise
Variation der Sendeleistung der Sendeelemente (3, 4, 11)
mit dem Ziel sorgt, die Lichtleistung der von dem
Empfangselement (5) empfangenen, von dem mindestens einen
Sendeelement (3) des ersten Sendezweigs (A) ausgesandten
und an der Außenseite des optisch durchlässigen Körpers
(2) reflektierten Strahlen gleich der Lichtleistung der
von dem Empfangselement (5) empfangenen, von dem
mindestens einen Sendeelement (4, 11) des zweiten
Sendezweigs (B) ausgesandten reflektierten Strahlen zu
regeln, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (1) Mittel
zum Abspeichern von Ausgangswerten (y_i_anf) für
Ansteuersignale für die Sendeelemente (3, 4, 11) vor dem
Betrieb des Sensors (1) und Mittel zum Ermitteln einer
statischen Regelabweichung (x_d_stat) aus der Differenz
der aktuellen Werte (y_i) für die Ansteuersignale und der
abgespeicherten Ausgangswerte (y_i_anf) während des
Betriebs des Sensors (1) aufweist.
2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
mindestens ein Sendeelement (3) des ersten Sendezweigs (A)
derart ausgerichtet ist, dass ein Großteil der von dem
Sendeelement (3) ausgesandten optischen Strahlen ohne
Feuchtigkeitstropfen (9) an der Außenseite des Körpers (2)
auf das mindestens eine Empfangselement (5) reflektiert
wird, und mindestens ein Sendeelement (4) des zweiten
Sendezweigs (B) derart ausgerichtet ist, dass ein Großteil
der von dem weiteren Sendeelement (4) ausgesandten
optischen Strahlen ohne Schmutzpartikel (10) auf der
Außenseite des Körpers (2) an der Außenseite aus dem
Körper (2) ausgekoppelt wird.
3. Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die
von dem mindestens einen Sendeelement (3) ausgesandten
optischen Strahlen beim Auftreffen auf
Feuchtigkeitstropfen (9) auf der Außenseite des Körpers
(2) zumindest teilweise aus dem Körper (2) ausgekoppelt
werden.
4. Sensor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet,
dass die von dem mindestens einen weiteren Sendeelement
(4) ausgesandten optischen Strahlen beim Auftreffen auf
Schmutzpartikel (10) auf der Außenseite des Körpers (2)
zumindest teilweise an der Außenseite des Körpers (2) auf
das mindestens eine Empfangselement (5) reflektiert
werden.
5. Sensor nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, dass in dem ersten Sendezweig (A)
diejenigen Sendeelemente (3) zusammengefasst sind, die
derart ausgerichtet sind, dass ein Großteil der von diesen
Sendeelementen (3) ausgesandten optischen Strahlen ohne
Feuchtigkeitstropfen (9) an der Außenseite des Körpers (2)
auf das mindestens eine Empfangselement (5) reflektiert
wird, und in dem zweiten Sendezweig (B) die weiteren
Sendeelemente (4) zusammengefasst sind, die derart
ausgerichtet sind, dass ein Großteil der von den weiteren
Sendeelementen (4) ausgesandten optischen Strahlen ohne
Schmutzpartikel (10) auf der Außenseite des Körpers (2) an
der Außenseite aus dem Körper (2) ausgekoppelt wird.
6. Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in
dem zweiten Sendezweig (B) mindestens ein zusätzliches
Sendeelement (11) vorgesehen ist, das derart ausgerichtet
ist, dass ein Anteil der von dem zusätzlichen Sendeelement
(11) ausgesandten optischen Strahlen ohne Schmutzpartikel
(10) an der Außenseite des Körpers (2) auf das mindestens
eine Empfangselement (5) reflektiert wird.
7. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, dass die Sendeelemente (3, 4, 11) einzeln
oder zu mehreren nacheinander optische Strahlen aussenden
und das oder jedes Empfangselement (5) synchron zum
Aussenden der optischen Strahlen durch die sendenden
Sendeelemente (3, 4, 11) an der Außenseite des optisch
durchlässigen Körpers (2) reflektierte Strahlen empfängt
und diese einer Auswertung zuführt.
8. Verfahren zum Betrieb eines Sensors zur Detektion von
Schmutz und/oder Feuchtigkeit auf einer Außenseite eines
optisch durchlässigen Körpers (2), wobei der Sensor (1)
mehrere optische Sendeelemente (3, 4, 11) und mindestens
ein Empfangselement (5) aufweist und bei dem Verfahren die
Sendeelemente (3, 4, 11) zu mindestens zwei Sendezweigen
(A, B) zusammengefasst werden, die zusammen mit dem
mindestens einen Empfangselement (5) in einem Regelkreis
geschaltet werden, durch den die Sendeleistung der
Sendeelemente (3, 4, 11) mit dem Ziel zweigweise variiert
wird, die Lichtleistung der von dem Empfangselement (5)
empfangenen, von dem mindestens einen Sendeelement (3) des
ersten Sendezweigs (A) ausgesandten und an der Außenseite
des optisch durchlässigen Körpers (2) reflektierten
Strahlen gleich der Lichtleistung der von dem
Empfangselement (5) empfangenen, von dem mindestens einen
Sendeelement (4, 11) des zweiten Sendezweigs (B)
ausgesandten reflektierten Strahlen zu regeln, dadurch
gekennzeichnet, dass vor dem Betrieb des Sensors (1)
Ausgangswerte (y_i_anf) für Ansteuersignale für die
Sendeelemente (3, 4, 11) abgespeichert werden und während
des Betriebs des Sensors (1) eine statische
Regelabweichung (x_d_stat) aus der Differenz der aktuellen
Werte (y_i) für die Ansteuersignale und der Ausgangswerte
(y_i_anf) ermittelt wird.
9. Speicherelement (42), insbesondere Read-Only-Memory,
Random-Access-Memory oder Flash-Memory, für ein
Steuergerät (40) eines Sensors (1) zur Detektion von
Schmutz und/oder Feuchtigkeit auf einem optisch
durchlässigen Körper (2) auf dem ein Computerprogramm
abgespeichert ist, das auf einem Rechengerät (41),
insbesondere auf einem Mikroprozessor, ablauffähig und zur
Ausführung eines Verfahrens nach Anspruch 8 geeignet ist.
10. Steuergerät (40) für einen Sensor (1) zur Detektion von
Schmutz und/oder Feuchtigkeit auf einem optisch
durchlässigen Körper (2) mit einem Rechengerät (41),
insbesondere einem Mikroprozessor, und einem
Speicherelement (42), wobei der Sensor (1) mehrere
optische Sendeelemente (3, 4, 11) und mindestens ein
Empfangselement (5) aufweist und die Sendeelemente (3, 4,
11) zu mindestens zwei Sendezweigen (A, B) zusammengefasst
sind, die zusammen mit dem mindestens einen
Empfangselement (5) in einem Regelkreis geschaltet sind,
der für eine zweigweise Variation der Sendeleistung der
Sendeelemente (3, 4, 11) mit dem Ziel sorgt, die
Lichtleistung der von dem Empfangselement (5) empfangenen,
von dem mindestens einen Sendeelement (3) des ersten
Sendezweigs (A) ausgesandten und an der Außenseite des
optisch durchlässigen Körpers (2) reflektierten Strahlen
gleich der Lichtleistung der von dem Empfangselement (5)
empfangenen, von dem mindestens einen Sendeelement (4, 11)
des zweiten Sendezweigs (B) ausgesandten reflektierten
Strahlen zu regeln, dadurch gekennzeichnet, dass das
Steuergerät (40) Mittel zum Abspeichern von Ausgangswerten
(y_i_anf) für Ansteuersignale für die Sendeelemente (3, 4,
11) vor dem Betrieb des Sensors (1) und Mittel zum
Ermitteln einer statischen Regelabweichung (x_d_stat) aus
der Differenz der aktuellen Werte (y_i) für die
Ansteuersignale und der Ausgangswerte (y_i_anf) während
des Betriebs des Sensors (1) aufweist.
11. Steuergerät (40) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
dass auf dem Speicherelement (42) ein Computerprogramm
abgespeichert ist, das auf dem Rechengerät (41)
ablauffähig und zur Ausführung eines Verfahrens nach
Anspruch 8 geeignet ist.
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