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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erkennen
eines Hindernisses in einem Öffnungsbereich
einer verschließbaren Öffnung, insbesondere
für eine
möglichst
frühzeitige
Erkennung von Einklemmsituationen bei elektrisch angetriebenen Verstellantrieben
in Kraftfahrzeugen wie z.B. Verdeck, Fensterheber, Kofferraumdeckel, Schiebetüren und
Schiebedächer
zum Öffnen
oder Schließen
von betreffenden Öffnungen
sowie für
diverse Einklemmsituationen bei elektrisch angetriebenen Sitzverstelleinrichtungen.
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Für Verstellantriebe,
die verschiedene Öffnungen
verschließen,
gibt es diverse Vorschriften und Richtlinien wie z.B. die 74/60/EWG
der Europäischen
Union, die EC21 von der UNECE (United Nations Economic Commission
for Europe), die FMVSS118 von der amerikanischen National Highway
Traffic Safety Administration. All diese Vorschriften fordern unter
bestimmten Betriebs- und Prüfbedingungen
eine Begrenzung der Einklemmkraft auf maximal 100 Newton. Insbesondere
soll ein 4 mm Prüfstab
noch als Hindernis erkannt werden.
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Aus
dem Stand der Technik sind Verfahren bekannt, welche die Belastung
eines Antriebs- oder Stellmotors auswerten und damit indirekt auf
einen Einklemmfall schließen,
wenn die Belastung des Motors über
ein erwartetes Maß hinausgeht.
Diese indirekten Verfahren haben den Nachteil, dass tatsächlich eine
Einklemmkraft aufgebaut werden muss und im System ein aktuelles
Lastprofil hinterlegt sein muss, um ein Überschreiten einer maximal
zulässigen
Klemmkraft detektieren zu können.
Darüber
hinaus ist es notwendig, die Position des Ver stellantriebs zu kennen.
Dies wird nach dem Stand der Technik mittels zusätzlicher Hallsensoren am Motor realisiert.
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Direkte
Verfahren sind beispielsweise aus der
EP 1 082 513 B1 bekannt, bei der Kontakte
im Dichtungsgummi angeordnet sind. Weiterhin sind Verfahren bekannt,
welche auf Ultraschall basieren (z.B.
EP 1 002 922 A2 ), oder optisch nach dem Lichtschrankenprinzip
arbeiten, um ein Hindernis zu detektieren bevor ein Kontakt und
damit ein Einklemmfall eintritt. Bei den bekannten, indirekten Methoden wird
ein mögliches
Einklemmen erst nach Aufbau einer Klemmkraft erkannt. Für viele
Anwendungen im Komfortbereich wäre
es aber wünschenswert,
einen direkten Einklemmschutz zu haben, beispielsweise um Verletzungen
beim Schließen
von Kofferraumdeckeln, (Schiebe-) Türen, Hub- und Schiebedächern zu
verhindern. Aber auch im Anwendungsbereich des klassischen indirekten
Einklemmschutzes wäre eine
direkte Methode von Vorteil, weil eine berührungsfreie und damit 0-Kraft-Erkennung
möglich scheint.
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Bei
den direkten Verfahren sind darüber
hinaus Ultraschallverfahren bekannt, die aber bei Nässe zu Fehlfunktion
neigen. Weiterhin gibt es Materialien, besonders bestimmte Textilien,
welche die Wellen im Wesentlichen absorbieren, so dass nur eine
minimale Reflexion erfolgt. Das gleiche gilt für die optischen Verfahren nach
dem Lichtschranken- oder Reflexionsprinzip. Allen bisher bekannten,
direkt arbeitenden Prinzipien ist gemeinsam, dass kleine Objekte
(4 mm-Stab) nur mit unzureichender Sicherheit erkannt werden, insbesondere,
wenn sich der Prüfstab
auf einer Kante des Mechanismus befindet.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein berührungsloses
und kraftfreies Verfahren und eine Vorrichtung zum Erkennen eines
Hindernisses in einem Öffnungsbereich
einer verschließbaren Öffnung anzugeben.
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Hinsichtlich
des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs
1. Hinsichtlich der Vorrichtung wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch
die Merkmale des Anspruchs 12. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung
sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Beim
erfindungsgemäßen Verfahren
zum Erkennen eines Hindernisses in einem Öffnungsbereich einer verschließbaren Öffnung wird
ein Lichtstrahl den Öffnungsbereich,
insbesondere punktweise abtastend ausgestrahlt und empfangen. Anschließend wird
dessen aktueller Reflexionsgrad und/oder aktuelle Phasenlage und/oder
Laufzeit ermittelt und analysiert. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann
ein Einklemmschutz realisiert werden, ohne dass es zu einer Berührung oder
gar einem Aufbau einer Klemmkraft kommt (so genannter Nullkraft-Einklemmschutz).
Dies erfolgt mittels optischer, vorzugsweise gebündelter Strahlung und Reflexion
dieser an einer vorgegebenen Abtastkante und der anschließenden Reflexions-,
Laufzei- und/oder
Phasenmessungen. Aufgrund der vorzugsweise gebündelten Bestrahlung des zu überwachenden Öffnungs-
bzw. Schließbereiches
können
auch sehr kleine Objekte, z. B. 4 mm dicke Prüfstäbe oder Kinderfinger, sicher
und schnell erkannt werden. Vor allem die schnelle Erkennung ist
wichtig für Öffnungen, welche
durch Antriebe in sehr kurzer Zeit geschlossen werden können (wie
etwa Schiebetüren).
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Zweckmäßigerweise
werden der aktuelle Reflexionsgrad und/oder die aktuelle Phasenlage
anhand von hinterlegten und/oder vorangegangenen Referenzreflexionsgraden
und/oder Referenzphasenlagen für
vorgegebene Referenzpunkte analysiert. Dazu wird der auszusendende
Lichtstrahl auf einen oder mehrere vorgegebene Referenzpunkte gerichtet
und von diesen reflektiert. Weicht der aktuell ermittelte Reflexionsgrad
bzw. die aktuell ermittelte Phasenlage bzw. die aktuell ermittelte
Laufzeit für einen
Referenzpunkt vom hinterlegten und/oder vorangegangenen Referenzwert
für den
betreffenden Referenzpunkt ab, so wird ein Hindernis identifiziert. Eine
derartige Vergleichsanalyse ermöglicht
eine schnelle und sichere Erkennung eines möglichen Einklemmfalls. Als
Referenzpunkt wird vorzugsweise ein im Öffnungsbereich angeordneter
Reflektor benutzt. Alternativ oder zusätzlich kann die umlaufende oder
ein Teil der umlaufenden Öffnungskante
als Referenzpunkt verwendet werden. Hierzu ist der Reflektor bzw.
die Öffnungskante
die optische Strahlung entsprechend reflektierend ausgebildet. Beispielsweise
ist der Reflektor oder die Öffnungskante
selbst durch ein Metallblech oder eine Metallfolie gebildet. Auch
können
der Reflektor und/oder die Öffnungskante
mit einer reflektierenden Lackschicht versehen sein.
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Alternativ
oder zusätzlich
kann anhand des aktuellen Reflexionsgrad und/oder der aktuellen
Phasenlage und/oder der aktuellen Laufzeit der momentane Öffnungsgrad
oder Schließgrad
der Öffnung
ermittelt werden. Hierzu wird beispielsweise als Phasenlage die
Phasendifferenz zwischen ausgesendetem Lichtstrahl und reflektiertem
Lichtstrahl ermittelt. Anhand der Phasendifferenz kann die zurückgelegte Distanz
und somit der Abstand zwischen der Öffnungskante und der Sende-
und Empfangseinheit ermittelt werden. Dabei ist die Sende- und Empfangseinheit
vorzugsweise an einer festen Öffnungskante und
gegenüberliegend
der verschließbaren Öffnungskante
ange ordnet. Dazu wird das ausgestrahlte Lichtsignal moduliert,
vorzugsweise frequenzmoduliert.
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Bei
dem mit einer Frequenz f = 1/T modulierten Lichtstrahl ergibt sich
die Phasendifferenz ϕ und die Laufzeit Δt gemäß: ϕ = Δt/T·2 und [1]der Abstand
bzw. die Distanz gemäß: d = c·T4π ·(ϕ +
2π·n) [2]
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Alternativ
oder zusätzlich
kann der Abstand mittels der herkömmlichen absoluten Interferometrie ermittelt
werden. Dabei werden relative Phasenänderungen zwischen zwei oder
mehr op tischen Strahlen verglichen, wobei das Interferenzmuster
zur Messung kleiner Änderungen
von Winkeln und/oder Abständen
genutzt wird.
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Zusätzlich zur
Ermittlung des Abstandes zwischen der Sende- und Empfangseinheit und der gegenüberliegenden Öffnungskante
kann bei geeigneter Ausführung
die Position der Verstellmechanik und des betreffenden Antriebs
selbst ermittelt werden, beispielsweise anhand von Laufzeit- oder
Phasenmessungen zwischen einem bewegten und einem feststehenden
Teil der Öffnung.
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Je
nach Art und Ausführung
der Vorrichtung kann als Lichtstrahl ein stark gebündelter
Strahl, insbesondere kontinuierlich oder gepulst ausgesendet werden.
Beispielsweise wird sichtbares Licht oder unsichtbares Licht, ein
Laserstrahl oder ein infrarotes Licht ausgesendet. Auch kann der
Lichtstrahl amplitudenmoduliert werden. Die optische Sendeeinheit ist
beispielsweise als eine Laserdiode oder eine stark fokussierende
Leuchtdiode oder eine andere geeignete Lichtquelle ausgeführt, die
ein punktweises Abtasten des Öffnungsbereiches
ermöglicht.
Darüber hinaus
ist eine Ablenkeinheit vorgesehen, z. B. ein mikromechanischer Spiegel,
der periodisch um mindestens eine Achse drehbar ist, oder statisch
ansteuerbar ist.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nachfolgend anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin
zeigen:
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1 schematisch
eine Vorrichtung zum Erkennen eines Hindernisses in einem Öffnungsbereich
einer verschließbaren Öffnung ohne
Hindernis im Öffnungsbereich,
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2 schematisch
die Vorrichtung gemäß 1 mit
einem Hindernis im Öffnungsbereich,
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3 schematisch
einen möglichen
Aufbau einer Vorrichtung gemäß 1 mit
einer Sende- und Empfangseinheit sowie einer Auswerteeinheit,
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4 verschiedene
Zeitdiagramme mit der Darstellung des zeitlichen Verlaufs des Reflexionsgrades
und des Abstands.
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Einander
entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen
versehen.
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1 zeigt
das Grundprinzip zum Abtasten eines Öffnungsbereiches 1 einer Öffnung 2,
z. B. die Öffnung
eines Fensters, eines Kofferraums, einer Schiebetür, eines
Schiebedachs bei einem Fahrzeug. Das Grundprinzip wird nachfolgend
am Beispiel einer Schiebetür
näher beschrieben.
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Dabei
wird ein gebündelter
Lichtstrahl Ls mittels einer Vorrichtung 3 (auch Abtasteinheit
oder Scanner-Einheit genannt) entlang einer vorgegebenen Kontur
auf Öffnungskanten 4.1 bis 4.4 im Öffnungsbereich 1 gerichtet
ausgestrahlt. Dabei ist die vorgegebene Abtastkontur so gewählt, dass
der gesamte Öffnungsbereich 1 abgedeckt
ist und die Öffnungskanten 4.1 bis 4.4 eine
Referenz mit zugehörigen
vorgegebenen Referenzpunkten R bilden. Die Vorrichtung 3 ist
dazu an einer abzutastenden Öffnungskanten 4.1 bis 4.2 gegenüberliegenden
und feststehenden Öffnungskante 4.3 bzw. 4.4,
z. B. im Bereich der Dachsäule
und/oder der B-Säule
des Fahrzeugs, angeordnet. Die Öffnungskante 4.2 stellt eine
bewegliche Öffnungskante
der in Richtung des Pfeils P1 bewegbaren Schiebetür dar. Der
ausgesendete Lichtstrahl Ls tastet den Öffnungsbereich 1 entlang
der betreffenden Öffnungskanten 4.1 bis 4.2 vollständig und
punktweise ab. Während
dieses Abtastvorgangs wird anhand des reflektierten und mittels
der Vorrichtung 3 empfangenen Lichtstrahls Lr als Informationen
der Reflexionsgrad, die Laufzeit und/oder die Phasenlage ermittelt.
Der Reflexionsgrad stellt dabei das Verhältnis der gerichtet reflektierten Strahlungsleistung
zur einfallenden Strahlungsleistung dar. Die Laufzeit kann dabei
auf herkömmliche
Art und Weise ermittelt werden. Zusätzlich kann der ausgesendete
Lichtstrahl Ls periodisch mit einer vorgegebenen Frequenz moduliert
werden. Der empfangene reflektierte Lichtstrahl Lr wird dem ausgesendeten
Lichtstrahl Ls überlagert.
Anhand eines daraus resultierenden Differenzsignals, insbesondere
der Phasendifferenz φ gemäß den oben
genannten Gleichungen [1] und [2] kann anschließend der Abstand d ermittelt
werden. Alternativ oder zusätzlich
kann die Laufzeit Δt
ermittelt werden. Dabei kann das Signal für die Laufzeitmessung verschieden
moduliert werden: Pulsmodulation und periodische Modulation der
Signalamplitude. Bei der periodischen Modulation der Amplitude ergibt
sich die Laufzeit Δt
aus der Phasenverschiebung des aus- und eingehenden Signals.
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Die
Vorrichtung 3 ist beispielsweise als fest stehende Scannereinheit
zur punktuellen Abstands- und Reflexionsmessung für eine schnelle
Erkennung eines kleinen Hindernisses im Öffnungsbereich 1 ausgeführt. In 1 ist
kein Hindernis im Öffnungsbereich 1,
in 2 ist ein relativ kleines Hindernis 5 im Öffnungsbereich 1 angeordnet.
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3 zeigt
die Vorrichtung 3 im Detail. Die Vorrichtung 3 umfasst
zum Aussenden des Lichtstrahls Ls eine Sendeeinheit 6,
z. B. eine geeignete Lichtquelle, wie eine Laserdiode. Zum Abtasten
des Öffnungsbereichs 1 ist
der Sendeeinheit 6 eine Ablenkeinheit 7 strahlungsausgangsseitig
nachgeschaltet. Als Ablenkeinheit 7 dient beispielsweise
ein mikromechanischer Spiegel, der periodisch um mindestens eine
Achse bewegbar ist, oder statisch ansteuerbar ist. Durch Ansteuerung
der Ablenkeinheit 7 wird der Öffnungsbereich 1 vollständig abgetastet.
Der an den Öffnungskanten 4.1 bis 4.2 und/oder
an den vorgegebenen Referenzpunkten R reflektierte Lichtstrahl Lr
wird mittels einer Empfangseinheit 8 empfangen. Zur Modulation
bzw. Demodulation des ausgestrahlten Lichtstrahls Ls bzw. des reflektieren Lichtstrahls
Lr sind eine zugehörige Modulationseinheit 9 bzw.
Demodulationseinheit 10 der Sendeeinheit 6 bzw.
der Empfangseinheit 8 vor- bzw. nachgeschaltet. Zur Modulation
des ausgesendeten Lichtstrahls Ls mit einer vorgegebenen Modulationsfrequenz
ist ein Referenzoszillator LO mit der Modulationseinheit 9 verbunden.
Die Sendeeinheit 6 ist mit einer Versorgungseinheit U verbunden.
Die Analyse des reflektierten Lichtstrahls Lr anhand des ausgesendeten
Lichtstrahls Ls erfolgt mittels einer Auswerteeinheit 11,
z. B. einem Mikroprozessors. Je nach Art und Ausführung der
Vorrichtung 3 kann diese als integrierte Schaltung alle
Komponenten umfassen. Alternativ können die Sende- und Empfangseinheit und
die Auswerteeinheit separat oder in anderer Art und Weise integriert
ausgebildet sein.
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Die
Auswerteeinheit 11 umfasst eine Speichereinheit 12,
in welcher die Abtastkontur des Öffnungsbereichs 1 zur
zeitlichen Ansteuerung der Ablenkeinheit 7 mittels Steuerelemente 13 hinterlegt
ist. Darüber
hinaus umfasst die Auswerteeinheit 11 ein weiteres Speichermodul 14,
in welchem vorangegangene Phasen- und/oder Laufzeitmessungen sowie Reflexionsgrade
bzw. Referenzphasen- und/oder Referenzlaufzeitmessungen und Referenzreflexionsgrade
hinterlegt sind.
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Für jeden
Punkt der Abtastkontur des Öffnungsbereichs 1 wird
ein Abstandssignal d(t) und ein Reflexionssignal r(t) mittels der
Empfangseinheit 8 erfasst und über eine Verstärkereinheit 15 verstärkt und
der Auswerteeinheit 11 zugeführt. Durch Vergleich der aktuellen
Laufzeit- oder Phasenmessung mit einer Referenzmessung oder vorangegangenen Laufzeit-
oder Phasenmessungen für
vorgegebene Referenzpunkte R kann eine mögliche Einklemmsituation sicher
erkannt werden. Weicht die aktuelle Laufzeit- oder Phasenmessung
von dem erwarteten Reflexions- und/oder
Phasenverlauf, d.h. von Referenzwerten bzw. vorgegangenen Laufzeit-
oder Phasenmessungen, um einen vorgegebenen Grenzwert ab, wird ein
vorhandenes oder eintretendes Hindernis 5 im Öffnungsbereich 1 identifiziert.
Die Identifizierung erfolgt mittels der Auswerteeinheit 11.
Die Auswerteein heit 11 kann bei Identifizierung eines möglichen
Einklemmfalls ein Steuersignal einer Motorverstelleinrichtung 16 zuführen. Dazu
ist die Auswerteeinheit 11 mit der Motorverstelleinrichtung 16 verbunden.
Mittels der Motorverstelleinrichtung 16 wird ein Stellantrieb
vorzugsweise in seiner Schließbewegung
gestoppt oder reversiert, um eine Einklemmsituation zu vermeiden.
Bei der Motorverstelleinrichtung 16 kann es sich um einen
indirekten Einklemmschutz mit einem Motor als Drehmomentsensor handeln.
Alternativ kann es sich um einen direkten Einklemmschutz mit einem
separaten Sensor für die
Einklemmkraft handeln.
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Im
Unterschied zu bekannten Lösungen nach
dem Lichtschrankenprinzip können
durch die nach dem Laserradar-Prinzip arbeitende Vorrichtung 3 auch
sehr kleine Objekte oder Hindernisse 5 erkannt werden,
da durch die punktuelle Ausleuchtung Licht aus genau einer Richtung
zur Auswertung gelangt. Verwendet man als Lichtquelle einen Laser
im sichtbaren Lichtbereich oder im infraroten Lichtbereich sind
durch die besonderen Eigenschaften des Lasers Lichtflecke im Bereich
von einigen mm und weniger möglich,
selbst bei größeren Entfernungen. Der
Einsatz eines Lasers ist jedoch nicht unabdingbar notwendig, je
nach Anforderung an die zu erkennenden Objektgrößen sind auch weniger stark
gebündelte
Lichtquellen, z. B. eine Leuchtdiode als Sendeeinheit 6,
möglich.
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4 zeigt
anhand verschiedener Zeitdiagramme für verschiedene Funktionsverläufe und
verschiedene Situationen, warum herkömmliche optische Methoden bei
der schnellen Erkennung kleiner Objekte fehlerhaft sind. Als Situationen
sind der Fall (a) ohne Hindernis im Öffnungsbereich 1 und
der Fall (b) mit dem Hindernis 5 im Öffnungsbereich 1 vorgegeben.
Die Funktionsverläufe
repräsentieren
das anhand der Laufzeit- und/oder
Phasenmessung ermittelte Abstandssignal d(t) und den herkömmlich ermittelten
Reflexionsgrad r(t). Der Reflexionsgrad r(t) des Hindernisses 5 kann
einen im Wesentlichen gleichen Reflexionsgrad r(t) wie der Hintergrund,
d.h. die abzu tastenden Öffnungskanten 4.1 bis 4.2 aufweisen. Damit
kann das Reflexionssignal r(t) keine deutliche Information über ein
mögliches
Hindernis 5 liefern, auch dann, wenn die Ausleuchtung nicht
punktuell, sondern über
große
Raumwinkel erfolgt. Um ein Hindernis 5 mit einem herkömmlichen
Verfahren identifizieren zu können,
ist die Messzeit so groß zu
wählen, dass
kleine Änderungen
in den empfangenen Signalen detektiert werden können, was aber der Anforderung
an die schnelle Detektion zuwider läuft. So ist zum Zeitpunkt t1 ein besonders stark reflektierendes Objekt
auszumachen, welches im Beispiel nicht das Hindernis 5 darstellt.
Das Hindernis 5 bewirkt aufgrund seines geringen Reflexionsvermögens eine kaum
messbare Veränderung
des Reflexionssignals r(t) zum Zeitpunkt t2.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens
kann hingegen anhand der Laufzeit- und/oder Phasenmessung ein Abstandssignals
d(t) zum Zeitpunkt t2 ermittelt werden,
das vom Referenzsignal am betreffenden Referenzpunkt R deutlich
abweicht und somit die Identifizierung des Hindernisses 5 ermöglicht.
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Vorzugsweise
wird die Abtastkontur so vorgegeben, dass der Öffnungsbereich 1 möglichst
vollständig
ausgeleuchtet und der daraus resultierende Schließbereich
des Verstellantriebs anhand des ermittelten Abstandswertes überwacht
wird. Abhängig von
der zur Verfügung
stehenden Schließzeit
und Schließposition
können
verschiedene Bereiche des Verstellantriebs mit höherer Genauigkeit vermessen werden,
um etwa eine Positionsinformation zu erhalten, oder aber um Scherzonen
mit höherer
Sicherheit abzudecken. Die Abtastkontur kann darüber hinaus so gewählt werden,
dass nicht nur der Schließbereich selbst,
sondern auch ein Abtasten des näheren
Umfeldes über
die Öffnungskanten 4.1 bis 4.4 hinaus
erfolgt. Hierdurch kann beispielsweise eine drohende Einklemmsituation
bereits im Vorfeld identifiziert werden.
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- 1
- Öffnungsbereich
- 2
- Öffnung
- 3
- Vorrichtung
- 4
- Öffnungskanten
(4.1 bis 4.4)
- 5
- Hindernis
- 6
- Sendeeinheit
- 7
- Ablenkeinheit
- 8
- Empfangseinheit
- 9
- Modulator
- 10
- Demodulator
- 11
- Auswerteeinheit
- 12
- Speichereinheit
- 13
- Steuereinheit
- 14
- Speichermodul
- 15
- Verstärker
- 16
- Motorverstelleinrichtung
- a
- Öffnungsgrad
- d
- Abstand
- Ls
- ausgesendeter
Lichtstrahl
- Lr
- reflektierter
Lichtstrahl
- r
- Reflexionsgrad