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Die
Erfindung betrifft eine Anprallsensoranordnung zur Erfassung einer
Kollision eines Fahrzeugs mit einem Hindernis.
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Nachdem
die Entwicklung von Airbags für Fahrzeuginsassen
mittlerweile ein sehr hohes Niveau erreicht hat, treten Sicherheitssysteme
zum Fußgängerschutz
zunehmend in den Vordergrund. Durch sogenannte Precrash-Sensoren
kann bereits vor einer möglichen
Kollision auf einen möglichen Anprall
mit automatischem Abbremsen reagiert werden. Für einen dennoch unvermeidlichen
Anprall gibt es Konzepte, bei denen die Motorhaube wenige Millisekunden
nach einem Anprall ein Stück
nach oben hochklappt und beim Auftreffen eines Körpers durch Nachgeben oder
zusätzliche
Auslösung
eines im Bereich zwischen Motorhaube und Frontscheibe integrierten
Airbagsystems dämpfend
beziehungsweise energieabbauend wirkt.
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Die
Auslösung
derartiger Sicherheitssysteme ist an das Vorhandensein entsprechender
Anprallsensoren im Frontstoßfänger gekoppelt.
Die Stoßfänger müssen als
passiven Schutz eine gewisse Nachgiebigkeit vorweisen, damit der
vorwiegend im Kniebereich auftretende Erstkontakt entscheidend abgemildert
wird. Gleichzeitig muss dieser Erstkontakt dem folgenden Sicherheitssystem
zur Auslösung weiterer
aktiver Sicherheitsvorrichtungen zuverlässig angezeigt werden.
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Zur
Realisierung geeigneter Anprallsensoranordnungen sind Lösungen bekannt,
die nach dem induktiven Prinzip den Abstand zwischen zwei in die Stoßfänger integrierten
Streifenleitern messen. Ein ähnliches
Prinzip arbeitet mit kapazitiven Sensoren, bei denen der Abstand
zwischen zwei Elektroden ausgewertet wird. Außerdem ist die Anwendung von Lichtfasern
aus Kunststoff bekannt. Dabei werden diese Fasern bei der Fertigung
im Stoßfänger integriert.
Bei einer Kollision mit einem Hindernis verformt sich der Stoßfänger, was
zu Änderung
des Abstandes zwischen Streifenleitern oder Elektroden beziehungsweise
zu einer Krümmung
der Lichtleitfasern führt.
Durch die Krümmung
der Lichtleitfasern ändert
sich auch deren Lichtleiteigenschaft, was zu einer Lichtintensitätsänderung
eines durch die Lichtleitfaser übertragenen
Lichtstrahls führt.
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Die
bekannten Realisierungen von Anprallsensoranordnungen sind verhältnismäßig aufwendig. Bei
Sensoren nach dem induktiven oder kapazitiven Prinzip ist eine Vielzahl
von Sensoren im gesamten Stoßfängerbereich
vorzusehen, damit unabhängig von
dem Ort des Anpralls dieser erkannt werden kann. Bei der Verwendung
von Lichtleitfasern müssen
diese bei der Herstellung des Stoßfängers in den Stoßfänger integriert
werden. Das macht diese spezielle Stoßfänger verhältnismäßig teuer und aufwendig.
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DE 198 50 851 C1 offenbart
eine Einrichtung für
den Insassenschutz in einem Fahrzeug. Bei der Einrichtung ist ein
druckempfindlicher Sensor in einem Bestandteil eines flüssigkeitsbasierten
Fahrzeugkühlsystems
angeordnet. Ein Auswerter steuert ein Insassenschutzmittel abhängig von
dem aufgenommenen Druck. Beim Eindringen eines Hindernisses in den
Kühler ändert sich
der Innendruck des Kühlsystems.
Die Messung des Kühlsysteminnendrucks
erlaubt somit Rückschlüsse auf
einen Aufprall.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Anprallsensoranordnung zu schaffen, durch
die eine Kollision eines Fahrzeugs mit Hindernissen zuverlässig erkannt
werden kann und die trotzdem einfach und kostengünstig in der Realisierung ist.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch die unabhängigen
Ansprüche.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die
Erfindung zeichnet sich aus durch eine Anprallsensoranordnung zur
Erfassung einer Kollision eines Fahrzeugs mit Hindernissen. Die
Anprallsensoranordnung hat einen Hohlkörper und einen Drucksensor.
Der Hohlkörper
ist durch die mit dem Fahrzeug kollidierenden Hindernisse verformbar.
In dem Hohlkörper
ist durch die Anpralle der kollidierenden Hindernisse je eine Druckwelle
erzeugbar. Der Drucksensor ist vorgesehen zur Erfassung der erzeugten
Druckwellen. Ferner sind Mittel zur Erfassung zweier Anpralle an
die Hindernisse vorgesehen. Die zwei Anpralle rufen je eine Druckwelle
hervor. Die zwei Anpralle werden innerhalb eines vorgegebenen Zeitfensters
erfasst. Das Zeitfenster ist in Abhängigkeit einer Fahrzeuggeschwindigkeit
vorgegeben.
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Durch
den Hohlkörper,
der sich vorteilhafterweise über
die gesamte Breite des Stoßfängers erstreckt
beziehungsweise einen Teil des Stoßfängers bildet, sind die Anpralle
unabhängig
von der genauen Position der Anpralle detektierbar. Dadurch genügt in einer
einfachen Ausführung
ein einziger Drucksensor, um die Anpralle zu detektieren. Die erfindungsgemäße Anprallsensoranordnung
ist daher wesentlich kostengünstiger
als die Sensoranordnungen aus dem Stand der Technik. Vorteilhaft
ist weiterhin, dass Mittel vorgesehen sind, durch die mehrere Druckwellen
innerhalb eines vorgegebenen Zeitfensters erfasst werden können. Kurz
nacheinander folgende Kollisionen, beispielsweise mit zwei Beinen
eines Fußgängers, werden
so berücksichtigt
und beispielsweise gemeinsam zur Ermittlung der Masse eines Fußgängers herangezogen.
Das Zeitfenster in Abhängigkeit
der Fahrzeuggeschwindigkeit vorzugeben trägt zu einem besonders präzisen Erfassen
der Anpralle bei.
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In
einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind mindestens
zwei Drucksensoren vorgesehen sowie Mittel zur Auswertung des Laufzeitunterschiedes
zwischen erfassten Druckwellen der mindestens zwei Drucksensoren.
Durch die Auswertung des Laufzeitunterschiedes lässt sich die laterale Posi tion
des Anpralls ermitteln, da die erzeugte Druckwelle bei den Drucksensoren
zeitlich versetzt ankommt.
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Weiterhin
ist günstig,
wenn Druckausgleichsmittel in dem Hohlkörper vorgesehen sind, durch
die Druckunterschiede im Normalbetrieb, die beispielsweise aufgrund
thermischer oder atmosphärischer Einflüsse entstehen,
kompensiert werden. Dafür kann
entweder ein spezielles Druckausgleichselement vorgesehen werden
oder mehrere kleine Bohrungen, die wie Kapillare wirken und dadurch
eine Tiefpasscharakteristik aufweisen.
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Ein
weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Anprallsensoranordnung
besteht darin, dass auch die Geschwindigkeit des Anpralls und die
Masse des erfassten Hindernisses festgestellt werden kann. Diese
Anprallcharakteristika sind anhand der Form der Druckwellen erkennbar.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es
zeigt:
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1 eine
schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Anprallsensoranordnung
bei Anprall eines einzelnen Hindernisses,
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2 ein
Zeitdiagramm der von der Sensoranordnung aus 1 erfassten
Signale,
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3 die
Anprallsensoranordnung von 1 bei der
Kollision mit zwei Hindernissen,
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4 ein
Zeitdiagramm der von der Sensoranordnung aus 3 aufgenommenen
Signale,
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5 und 6 Beispiele
typischer Signalformen, die von den Drucksensoren erfasst werden,
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7 ein
Fahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Anprallsensoranordnung.
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Die 1 zeigt
einen Frontstoßfänger 13 in einer
schematischen Darstellung. Halteelemente, durch die der Frontstoßfänger 13 an
dem Fahrzeug befestigt ist, sind in der 1 nicht
dargestellt. Wesentlich für
die Anprallsensoranordnung ist ein Hohlkörper 1 sowie Drucksensoren 2 und 3.
Der Hohlkörper 1 bildet
einen ungeteilten oder geteilten Hohlraum, der gleichzeitig zur
mechanischen Dämpfung des
Anpralls dient. Es wäre
jedoch auch denkbar, die Funktionen voneinander zu trennen, das
heißt
einen Hohlraum vorzusehen, der den mechanischen Anprall dämpft und
einen zweiten Hohlraum vorzusehen, in dem durch einen Anprall eine
Druckwelle 4 erzeugt wird, die in Verbindung mit den Drucksensoren 2 und 3 die
Detektion des Anpralls erlaubt.
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Während des
Anpralls bewirkt die Verformung des Hohlkörpers 1 eine Volumenverringerung in
dem Hohlraum, die zu einer Druckänderung,
das heißt
einem Anstieg des Drucks, führt.
Dabei ist es unerheblich, an welcher Stelle der Anprall erfolgt, denn
die Volumenänderung
hängt nur
von dem Ausmaß der
Verformung des Hohlkörpers 1 ab,
egal an welcher Stelle dies passiert. Daher ist es nicht erforderlich,
eine Vielzahl von Drucksensoren vorzusehen.
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Bei
dem in 1 dargestellten Fall kollidiert der linke Teil
des Hohlkörpers 1 frontal
mit einem Objekt 11, so dass in dem verformbaren Hohlraum
des vorzugsweise elastischen Hohlkörpers 1 eine Druckwelle 4 entsteht,
die sich mit Schallgeschwindigkeit fortpflanzt. In dem dargestellten
Ausführungsbeispiel sind
zwei Drucksensoren 2 und 3 am jeweiligen seitlichen
Ende des Hohlkörpers 1 befestigt.
Da sich die Druckwelle 4 in beide Richtungen ausbreitet,
wird sie von beiden Drucksensoren 2 und 3 detektiert,
allerdings besteht zwischen den Ausgangssignalen der Drucksensoren 2 und 3 eine
Laufzeitdifferenz. Im vorliegenden Fall detektiert der Drucksensor 2 die Druckwelle 4 vor
dem Drucksensor 3, da er näher am Ort des Anpralls liegt.
Die Laufzeit ergibt sich aus der Entfernung zwischen dem Anprallort
und dem Ort des Drucksensors, wobei die Laufzeit zu dem Drucksensor 2 mit
L1 und die Laufzeit zu dem anderen Drucksensor 3 mit L2
bezeichnet ist.
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Die 2 veranschaulicht
den von den Drucksensoren 2 und 3 erfassten Druckverlauf.
P1 ist dabei der Druckverlauf, der von dem Drucksensor 2 gemessen
wird, und P2 ist der Druckverlauf, der von dem anderen Drucksensor 3 erfasst
wird. Während der
Anprall von Drucksensor 2 bereits zum Zeitpunkt t = L1
erfasst wird, erfolgt dies durch den Drucksensor 3 erst
zum Zeitpunkt t = L2.
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Aus
der Laufzeitdifferenz kann nun auf die seitliche Lage des Anprallortes
geschlossen werden. Ist L1 kleiner als L2, so befindet sich der
Anprallort in der linken Hälfte
des Hohlkörpers 1,
ist L1 größer als L2,
so befindet sich der Anprallort in der rechten Hälfte des Hohlkörpers 1.
Bei einem Anprall genau in der Mitte ist L1 = L2. Je nach Höhe der Differenz
kann der Anprallort verhältnismäßig genau
bestimmt werden.
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Der
Hohlkörper 1 besitzt
Druckausgleichsmittel, um eine langsame Änderung des Drucks beispielsweise
durch thermische oder atmosphärische Einflüsse auszugleichen.
In 1 handelt es sich um ein Druckausgleichselement 6,
das sich bei Erhöhung
des Drucks im Innern des Hohlkörpers 1 verformt,
so dass der Druck gleich bleibt. Es ist auch möglich, eine oder mehrere kleine
Bohrungen vorzusehen, durch die ein Druckausgleich zwischen dem Innern
des Hohlkörpers 1 und
dem Außenraum
erfolgen kann. Dabei muss allerdings gewährleistet bleiben, dass die
durch einen Anprall erzeugte Druckwelle nicht so weit verfälscht wird,
dass eine hinreichend genaue Messung durch die Drucksensoren 2 und 3 nicht
mehr möglich
ist. Vielmehr sollten die Druckausgleichsmittel nur langsame Änderungen
des Drucks ausgleichen, nicht aber schnelle Änderungen, wie sie bei einem
Anprall entstehen. Die Druckausgleichsmittel besitzen also eine
Tiefpasscharakteristik.
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Die 3 zeigt
die Anprallsensoranordnung von 1 bei Kollision
mit zwei Hindernissen. Bei den Hindernissen 11 und 12 kann
es sich beispielsweise um die zwei Beine eines Fußgängers handeln, der
von einem Fahrzeug erfasst wird. Der Anprall erfolgt zeitlich nacheinander,
so dass zwei Druckwellen entstehen. Diese haben einen unterschiedlichen Ausgangspunkt,
so dass sich zu den Drucksensoren 2 und 3 jeweils
unterschiedliche Laufzeiten ergeben. Während die Druckwelle, die von
dem Anprall des Hindernisses 11 erzeugt wird, nach der
Laufzeit L1 beim Drucksensor 2 ankommt, erreicht die Druckwelle,
die durch den Anprall des Hindernisses 12 erzeugt wird,
erst nach der Laufzeit L3 den Drucksensor 2. Entsprechend
ergeben sich Laufzeiten L2 und L4 zwischen dem Anprall der Hindernisse 11 und 12 und dem
Erreichen des Drucksensors 3.
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Der
Signalverlauf ist in 4 dargestellt. Von dem Drucksensor 2 werden
zwei kurz nacheinander folgende Druckimpulse nach den Laufzeiten
L1 und L3 erfasst, während
von dem Drucksensor 3 zwei Druckimpulse nach den Laufzeiten
L2 und L4 erfasst werden.
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Es
ist festzuhalten, dass für
die Funktionsweise einer Anprallsensoranordnung gemäß der Erfindung
ein einziger Drucksensor genügen
würde, wenn
es nicht auch auf die Bestimmbarkeit der Anprallposition ankommt.
Das Vorsehen von zwei Drucksensoren ist aber auf jeden Fall von
Vorteil, da somit eine Redundanz gegeben ist. Bei Ausfall eines der
Sensoren könnte
zwar nicht mehr die Anprallposition bestimmt werden, das Vorliegen
eines Anpralls wird aber dennoch erfasst.
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Bei
der Auswertung der Kollision mit zwei Hindernissen, wie anhand der 3 und 4 beschrieben,
setzt voraus, dass ein Zeitfenster definiert wird, innerhalb dessen
die beiden Druckimpulse detektiert werden müssen. Dies liegt daran, dass
bei Einsatz in einem Fahrzeug aufgrund der detektierten Kollision
Sicherheitsvorrichtungen ausgelöst
werden sollen, beispielsweise die eingangs beschriebene Anhebung
der Motorhaube und das Aufblasen von Airbags. Wird nach dem ersten
Anprall zu lange auf einen möglichen
zweiten Anprall gewartet, können die
Sicherheitsvorrichtungen nicht mehr rechtzeitig ausgelöst werden,
um die Folgen der Kollision zu verringern. In dem aufgezeigten Anwendungsfall
soll verhindert werden, dass ein Fußgänger auf die Windschutzscheibe
aufschlägt,
stattdessen soll er nach oben abgelenkt werden.
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Die
Zeit, die zwischen der Kollision des Fußgängers mit der Anprallsensoranordnung
und dem Anprall des Fußgängers auf
der Windschutzscheibe besteht, wird durch die relative Geschwindigkeit
des Fahrzeugs zu dem Fußgänger bestimmt.
Entsprechend unterschiedlich sind die Zeiten, die für das erwähnte Zeitfenster
zur Verfügung
stehen.
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Je
nach den verwendeten Sicherheitsvorrichtungen ist es nicht erforderlich,
mehr als einen Anprall zu detektieren. In einer vorteilhaften Ausführung der
erfindungsgemäßen Anprallsensoranordnung
wird jedoch anhand der erzeugten und erfassten Druckwellen die Masse
des Hindernisses beziehungsweise des Fußgängers bestimmt. Eine korrekte
Bestimmung des Impulses beziehungsweise der Masse des Hindernisse
kann nur erfolgen, wenn beide Kollisionen berücksichtigt werden. Bei einfach ausgestalteten
Sicherheitsvorrichtungen erfolgt jedoch keine auf die Masse des
Hindernisses abgestimmte Reaktion, so dass es nur darauf ankommt, dass
ein Anprall detektiert wird. Somit kann schon nach der Detektion
der ersten Kollision eine Aktivierung der Sicherheitsvorrichtungen
erfolgen.
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Die 5 und 6 zeigen
charakteristische Signalformen, wie sie von den Drucksensoren 2 und 3 erfasst
werden. Aus dem Gradienten des Druckverlaufs kann auf die Geschwindigkeit
des Anpralls geschlossen werden. Aus dem absoluten Druck kann die
Masse des Hindernisses bestimmt werden. Der Impuls 20 zeigt
beispielsweise an, dass eine Kollision mit einem verhältnismäßig leichten
Hindernis, aber mit hoher Geschwindigkeit erfolgt ist. Der Impuls 21 zeigt
einen langsamen Anprall auf ein Hindernis großer Masse an. Der Impuls 22 in 6 zeigt
an, dass es sich um einen schnellen Anprall auf ein Hindernis geringer
Masse gehandelt hat, während
es sich bei dem Impuls 23 um einen langsamen Anprall auf
ein Hindernis geringer Masse gehandelt hat.
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Die 7 zeigt
ein Fahrzeug 10, das mit einer erfindungsgemäßen Anprallsensoranordnung ausgerüstet ist.
Das Fahrzeug bewegt sich mit einer Geschwindigkeit v gegenüber zwei
Hindernissen 11 und 12, beispielsweise den Beinen
eines Fußgän gers. Das
Fahrzeug besitzt einen Stoßfänger 13,
in den die Anprallsensoranordnung eingebaut ist. Der Hohlkörper ist
integraler Bestandteil des Stoßfängers 13 und
in 7 nicht im Detail dargestellt. In den seitlichen
Endbereichen des Stoßfängers 13 sind Drucksensoren 2 und 3 vorgesehen,
die mit einer Steuer- und Auswerteinheit 5 verbunden sind.
Die Steuer- und Auswerteinheit 5 umfasst Mittel zur Auswertung
des Laufzeitunterschiedes ebenso wie Mittel zur Erfassung mehrerer
Druckwellen innerhalb eines vorgegebenen Zeitfensters. Im Falle
eines detektierten Anpralls steuert die Steuer- und Auswerteinheit 5 Sicherheitsvorrichtungen 14 an,
so dass diese aktiviert werden und beispielsweise die Motorhaube
anheben und ein Airbagsystem aufblasen, wie dies eingangs beschrieben
worden ist. Vorteilhaft ist darüber hinaus
natürlich,
wenn die Steuer- und Auswerteinheit 5 mit einem Fahrzeuginformationssystem
verbunden ist und auch Messdaten anderer Sensoren der Steuer- und
Auswerteinheit 5 zur Verfügung stehen. Andersherum können die
Messdaten von der Steuer- und Auswerteinheit 5 anderen
Komponenten des Fahrzeugs zur Verfügung gestellt werden.