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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erkennen
der Fahrtrichtung von auf einem vorgegebenen Fahrweg fahrenden Fahrzeugen
der im Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 5 definierten
Gattung.
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Bei
einem bekannten Verfahren dieser Art sind die beiden Magnetiksensoren
längs des
Fahrweges in einem definierten Abstand voneinander und in gleicher
Ausrichtung zueinander angeordnet. Die Magnetiksensoren erfassen
in bekannter Weise eine Änderung
des Erdmagnetfeldes, die durch ein Fahrzeug beim Passieren des Bereichs
der Magnetiksensoren hervorgerufen wird und geben ein entsprechendes
elektrisches Ausgangssignal aus. Aus der zeitlichen Folge des Erscheinens
der Ausgangssignale des einen und anderen Magnetiksensors kann die
Fahrtrichtung des Fahrzeugs bestimmt werden. Zur Durchführung dieses
bekannten Verfahrens müssen
die beiden Magnetiksensoren an unterschiedlichen Stellen am Fahrweg
angeordnet und durch elektrische Verbindungskabel mit der Auswertezentrale
verbunden werden. Dies erfordert einen erheblichen Installationsaufwand
vor Ort. Bei militärischer Anwendung
lässt sich
zudem eine Tarnung der Magnetiksensoren nur mit erhöhtem Zeiteinsatz
erreichen.
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Bei
einer bekannten Einrichtung zum Erfassen des Fahrzeugverkehrs mit
Magnetfelddetektoren (
DE
35 21 655 A1 ) sind zwei getrennte magneto-resistive Sensoren
in einem gemeinsamen Gehäuse auf
der Straßenoberfläche angeordnet.
Die Messachsen der beiden Sensoren sind gegenüber der Ebene der Straßenoberfläche unter
einem Winkel von vorzugsweise jeweils etwa 45° geneigt, so dass die Fahrzeuge
eine möglichst
große
Signalamplitude im Ausgangssignal der Sensoren hervorrufen. Beim Passieren
eines Fahrzeugs erzeugen die Sensoren Impulsdiagramme die ausgewertet
werden. Dabei ist die maximale Impulsamplitude ein Maß für die Größe des Fahrzeugs,
während
die Flankensteilheit der Impulse und/oder der Abstand der beiden
Impulse als Maß für die Geschwindigkeit
des Fahrzeugs ausgewertet wird. Da jeder Fahrzeugtyp charakteristische Impulsdiagramme
liefert, kann eine Anzahl derartiger Impulsdiagramme gespeichert
und zur Ermittlung des Fahrzeugstyps herangezogen werden.
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Eine
bekannte Richtungsdetektionsvorrichtung für Automobile (Patent Abstracts
of Japan Nr.
JP 61054459
A ) weist zwei Magnetiksensoren auf, die ein Signal erzeugen,
das proportional dem geometrischen Produkt eines Steuerstroms und
einer Magnetfeldstärke
ist, die auf einem externen magnetischen Feld beruht.
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Eine
bekannte Fahrzeugerfassungsvorrichtung (
DE 35 19 531 A1 ) weist zwei
in Richtung der Fahrzeugbewegung voneinander beabstandete Geophone
und eine Einrichtung zum Erfassen der relativen Phasenbeziehung
der zwei seismischen Signale, die gleichzeitig an den beiden Geophonen
empfangen werden, auf.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung
der eingangs genannten Art derart abzuändern, dass auf die langen elektrischen
Verbindungswege zu den Magnetiksensoren verzichtet und somit die
Vorrichtung kompakt ausgeführt
und mit geringem Installationsaufwand vor Ort ausgebracht werden
kann.
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Die
Aufgabe ist bei einem Verfahren der im Oberbegriff des Anspruchs
1 bzw. bei einer Vorrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 5
jeweils angegebenen Gattung erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichenteil
des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 5 gelöst.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
hat den Vorteil, dass es die Unterbringung der beiden Magnetiksensoren
am gleichen Messort zulässt
und damit die Voraussetzung schafft, dass die Vorrichtung zu dessen
Durchführung
komplett in einem kompakten Gehäuse
untergebracht werden kann. Das Gehäuse hat geringe Abmessungen
und kann durch Eingraben leicht getarnt werden. Die Installationsarbeiten vor
Ort mit Ausrichtung und Anschließen der Magnetiksensoren entfallen
vollständig.
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Vorteilhafte
Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Verfahrens
bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung
mit zweckmäßigen Ausgestaltungen
und Verbesserung der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen.
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Bei
einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird zur Vorzeichenbestimmung der Phasenverschiebung zwischen den Ausgangssignalen
der beiden Magnetiksensoren der Zeitpunkt des Auftretens eines absoluten
Maximums in dem Ausgangssignal des einen Magnetiksensors ermittelt
und zu diesem Zeitpunkt der Gradient oder Differenzquotient des
Ausgangssignals des anderen Magnetiksensors bestimmt und dessen
Vorzeichen ausgegeben. Dabei ist es unerheblich, in welchem Ausgangssignal
das absolute Maximum detektiert wird, wenn nur notwendigerweise
in dem anderen Ausgangssignal der Gradient oder Differenzquotient gebildet
wird. In beiden Fällen
gelangt man zu dem gleichen Ergebnis. Zusätzlich können auch noch relative Maxima
in den Ausgangssignalen ausgewertet werden, um ggf. die Fehlerrate
zu minimieren.
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Bevorzugt
werden die Magnetiksensoren im Meßort möglichst dicht am Fahrweg angeordnet
und unmittelbar auf den Boden aufgestellt oder – aus Tarnungsgründen – in den
Boden eingegraben.
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Eine
vorteilhafte Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist in Anspruch 5 angegeben.
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Die
Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels
einer Vorrichtung zum Erkennen der Fahrtrichtung von auf einem vorgegebenen
Fahrweg fahrenden Fahrzeugen im folgenden näher beschrieben. Dabei zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Draufsicht von Fahrweg mit daran
angeordneter Vorrichtung zur Fahrtrichtungsdetektion,
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2 ein
Blockschaltbild der Vorrichtung zur Fahrtrichtungsdetektion,
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3 ein
Blockschaltbild eines Maximumsuchers in der Vorrichtung gemäß 2,
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4 und 5 jeweils
eine Darstellung der tiefpaßgefilterten
Ausgangssignale der Magnetiksensoren in der Vorrichtung gemäß 1 bis 3 beim Passieren
eines Fahrzeugs mit Fahrtrichtung gemäß Pfeil in 1 (4)
bzw. entgegengesetzter Fahrtrichtung (5).
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Mit
dem nachfolgend beschriebenen Verfahren wird die Fahrtrichtung von
Fahrzeugen 10 detektiert, die auf einem vorgegebenen Fahrweg,
z.B. einer Straße 11,
fahren. Hierzu werden dicht an der Straße 11 zwei Magnetiksensoren 12 und 13 am
gleichen Meßort
in rechtwinkliger Ausrichtung zueinander und in einer horizontalen
Ebene angeordnet, wie dies in 1 schematisch
dargestellt ist. Diese Magnetiksensoren 12, 13 erfassen
in bekannter Weise eine Änderung
der Erdmagnetfelds, die durch das Fahrzeug 10 beim Passieren
des Meßortes
hervorgerufen wird. Als Magnetiksensoren 12, 13 wird üblicherweise
ein 2-D-Magnetfeldsensor verwendet, der die Erdmagnetfeldänderungen
zweiachsig vermißt. Beispielsweise
kann auch der Dünnfilmmagnetfeldsensor
BM 8993 der Firma Deutsche Systemtechnik GmbH eingesetzt werden,
der ein 3-D-Magnetfeldsensor ist. Für das hier beschriebene Verfahren
wird dann die dritte, vertikale Achse nicht genutzt. Die rechtwinklige
Ausrichtung der Magnetiksensoren 12, 13 ist in 1 durch
das Koordinatensystem yx angedeutet, das rechtwinklig zur Straße 11 und
in der Ebene der Straße 11 liegt.
Das Fahrzeug 10 ist in 1 in Draufsicht
zu sehen und bewegt sich in Fahrtrichtung von links nach rechts,
was mit Pfeil 14 in 1 gekennzeichnet
ist.
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Die
beim Passieren des Fahrzeugs 10 von den Magnetiksensoren 12, 13 nach
Tiefpassfilterung ausgegebenen Ausgangssignale sind in 4 im
Diagramm a für
den Magnetiksensor 12 und in Diagramm b für den Magnetiksensor 13 dargestellt. Deutlich
ist zu sehen, dass zwischen den Ausgangssignalen der Magnetiksensoren 12, 13 eine
Phasenverschiebung φ auftritt.
Verfahrensgemäß wird diese Phasenverschiebung φ vorzeichenmäßig bestimmt. Bei
der in 1 angegebenen Fahrtrichtung des Fahrzeugs 10 gemäß Pfeil 14 ist
die Phasenverschiebung φ positiv,
d.h. das Ausgangssignal des Magnetiksensors 12 eilt dem
Ausgangssignal des Magnetiksensors 13 voraus. Fährt das
Fahrzeug 10 in 1 in die dem Pfeil 14 entgegengesetzte
Richtung, so ist der Verlauf der Ausgangssignale der Magetiksensoren 12, 13 wie
in 5 dargestellt. Hier ist deutlich zu sehen, dass
jetzt das Ausgangssignal des Magnetiksensors 13 dem Ausgangssignal
des Magnetiksensors 12 voreilt, die Phasenverschiebung φ also negativ
ist. Anhand des bestimmten Vorzeichens der Phasenverschiebung φ wird bei
positivem Vorzeichen der Phasenverschiebung φ die Fahrtrichtung von links nach
rechts gemäß Pfeil 14 in
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1 detektiert
und bei negativem Vorzeichen die Fahrtrichtung von rechts nach links
entgegen Pfeil 14 in 1.
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Um
das Vorzeichen der Phasenverschiebung φ zwischen den Ausgangssignalen
der Magnetiksensoren 12, 13 einfach zu erfassen,
kann wie folgt vorgegangen werden:
In dem Ausgangssignal des
Magnetiksensors 12 wird das absolute Maximum ermittelt.
Dieses Maximum tritt zum Zeitpunkt tM auf
(4). Im Zeitpunkt tM wird die
Steigung oder der Gradient oder der Differantialquotient des Ausgangssignals
des Magnetiksensors 13, z.B. durch Differenzieren des Signals,
bestimmt. Ist der Gradient, die Steigung oder der Differentialquotient
positiv, so ist die Phasenverschiebung φ positiv und die Fahrtrichtung
des Fahrzeugs 10 von links nach rechts gemäß Pfeil 14 in 1.
Ist – wie aus 5 zu
erkennen ist – der
Gradient, die Steigung oder der Differentialquotient des Ausgangssignals
des Magnetiksensors 13 zum Zeitpunkt tM negativ,
so ist die detektierte Fahrtrichtung des Fahrzeugs 10 von
rechts nach links entgegen Pfeil 14 in 1.
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Es
ist auch möglich,
die beiden Schritte zu vertauschen und im Ausgangssignal des Magnetiksensors 13 das
absolute Maximum aufzusuchen und zum Zeitpunkt von dessen Auftreten
das Ausgangssignal des Magnetiksensors 12 zu differenzieren.
Wie aus 4 hervorgeht, tritt das absolute
Maximum im Ausgangssignal des Magnetiksensors 13 bei t*M auf. Die Steigung des Ausgangssignals des
Magnetiksensors 12 ist im Zeitpunkt t*M negativ.
In diesem Fall wird durch den negativen Gradienten die Fahrtrichtung
gemäß Pfeil 14 in 1 detektiert.
In 5 tritt das Maximum im Ausgangssignal des Magnetiksensors 13 bei
t*M auf. Zu diesem Zeitpunkt ist die Steigung
im Ausgangssignal des Magnetiksensors 12 positiv. Aufgrund
dieses positiven Gradienten wird die Fahrtrichtung des Fahrzeugs 10 entgegen
Pfeil 14 in 1, also von rechts nach links,
detektiert.
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Zur
Durchführung
des vorstehend beschriebenen Verfahrens weist die in 2 im
Blockschaltbild und in 1 schematisch skizzierte Vorrichtung die
beiden Magnetiksensoren 12, 13 und eine Signalverarbeitungseinheit 15 zur
Durchführung
der erforderlichen Signalverarbeitung auf, die alle in 2 dargestellten
elektronischen Bausteine umfaßt.
Wie in 1 schematisch angedeutet ist, sind die Magnetiksensoren 12, 13 und
die Auswerteeinheit 15 in einen kompakten, geschlossenen
Gehäuse 16 untergebracht,
das am Meßort
möglichst
dicht an der Straße 13 auf
dem Boden aufgesetzt wird. Die Magnetiksensoren 12, 13 sind
rechtwinklig zueinander und parallel zur Bodenfläche angeordnet. Zu Tarnungszwecken
kann das Gehäuse 16 in
den Boden eingegraben werden.
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Wie
in 2 im Blockschaltbild dargestellt ist, ist der
Ausgang des Magnetiksensors 13 über einen Tiefpaß 17 mit
einem Differenzierer 18 und der Ausgang des Magnetiksensors 12 über einen
Tiefpaß 19 mit
einem Maximumsucher 20 verbunden. Im Falle einer wie hier
digitalen Signalverarbeitung ist zwischen dem Tiefpaß 17 und
dem Differenzierer 18 und dem Tiefpaß 19 und dem Maximumsucher 20 jeweils
ein Analog-/Digitalwandler 21 bzw. 22 angeordnet.
In dem Maximumsucher 20 wird das absolute Maximum im Ausgangssignal
des Magnetiksensors 12 ermittelt und der Zeitpunkt tM des Auftretens des Maximums festgestellt.
Im Differenzierer 18 wird fortlaufend das Ausgangssignal
des Magnetiksensors 13 differenziert und die Steigungs-
oder Gradientenwerte in einem Speicher 22 unter einer zugehörigen Zeitadresse
abgelegt. Die Einschreibadressen werden von einem Zähler 23 zur
Verfügung
gestellt, der von einem Taktimpulsgenerator 24 angesteuert
wird. Der Ausgang des Zählers 23 ist
auch mit dem Maximumsucher 20 verbunden. Sobald der Maximumsucher 20 das
Maximum detektiert hat, gibt er den Zeitpunkt tM des
Auftretens dieses Maximums als Ausleseadresse an den Speicher 22.
Damit wird der unter dieser Adresse abgespeicherte Wert des Gradienten oder Differentialquotienten
ausgelesen und einem Komparator 25 zugeführt. Der
Komparator 25 weist zwei Ausgänge auf, die jeweils mit einem
Ausgangssignal belegt werden, wenn der Wert am Eingang des Komparators 25 größer oder
kleiner Null ist. Mit den Ausgängen
des Komparators 25 sind jeweils eine Fahrtrichtungsanzeige 26 und 27 verbunden,
die durch das Ausgangssignal des Komparators 25 angesteuert
werden und eine entsprechende Fahrtrichtungskennzeichnung geben.
Bei dem in 1 skizzierten Szenario der Vorbeifahrt
eines Fahrzeugs 10 am Meßort in Pfeilrichtung 14 würde die
Fahrtrichtungsanzeige 26 ansprechen und ein entsprechender
Pfeil, der eine Fahrtrichtung von links nach rechts angibt, aufleuchten.
Eine Steuereinheit 28 steuert den Detektionsprozeß durch
Aktivieren des Taktimpulsgenerators 24 sowie das Rücksetzen
des Zählers 23 und
des Maximumsuchers 20 und das Löschen des Speichers 22 nach
erfolgter Detektion.
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Ein
mögliches
Ausführungsbeispiel
des Maximumsuchers 20 ist in 3 im Blockschaltbild
dargestellt. Danach ist der Maximumsucher 20 mit seinem
ersten Eingang 201 an den Ausgang des A/D-Wandlers 22 und
mit seinem zweiten Eingang 202 an den Ausgang des Zählers 23 angeschlossen. Über den
mit der Steuereinheit 28 verbundenen dritten Eingang 203 erfolgt
die Aktivierung der Ausgabe der zum absoluten Maximum gehörenden Zeitadresse
tM und der vierte Eingang 204,
der mit dem Clear-Ausgang der Steuereinheit 28 verbunden
ist, dient dem Löschen
des Maximumsuchers 20 nach erfolgter Fahrtrichtungsdetektion.
Der Ausgang 205 des Maximumsuchers 20 ist mit
dem Speicher 22 verbunden und stellt die Ausleseadresse
für den Speicher 22 zur
Verfügung.
Den Eingängen 201 und 202 des
Maximumsuchers 20 ist über
eine Torschaltung 29 bzw. 30 ein Speicher 31 bzw. 32 nachgeschaltet.
Der Ausgang des Speichers 32 ist mit dem Ausgang 205 des
Maximumsuchers 20 verbunden. Der Ausgang des Speichers 31 ist
mit dem einen Eingang eines Komparators 33 verbunden, dessen
anderer Eingang an dem Eingang 201 des Maximumsuchers 20 liegt.
Der Ausgang des Komparators 33 ist an den Torsteuereingängen der
Torschaltungen 29, 30 angeschlossen.
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Jeder
digitale Eingangswert am Eingang 201 des Maximumsuchers 20 wird
im Komparator 33 mit dem momentan im Speicher 31 enthaltenen
Wert verglichen. Ist der Eingangswert größer als dieser Speicherwert,
so werden die beiden Torschaltungen 29, 30 geöffnet, wodurch
zum einen der Eingangswert in den Speicher 31 eingeschrieben
und damit der alte Speicherwert überschrieben
wird, und zum anderen der Zählerstand
des Zählers 23 in
den Speicher 32 eingeschrieben wird. Dieser Vorgang wiederholt
sich fortlaufend, wobei bei jedem Eingangswert der kleiner ist als
der zu vergleichende Speicherwert aus dem Speicher 31 die
Torschaltungen 29, 30 geschlossen und damit die
Speicherwerte in den Speichern 31 und 32 erhalten
bleiben, und bei jedem Eingangswert, der größer ist als der Speicherwert
im Speicher 31 die Torschaltungen 29, 30 geöffnet und die
Speicherwerte in den Speichern 31 und 32 durch neue
Werte überschrieben
werden. Am Ende des Vorgangs gibt die Steuereinheit 28 über den
Eingang 203 des Maximumsuchers einen Auslesebefehl, wodurch
der im Speicher 32 abgespeicherte Zählerwert tM als
Ausleseadresse über
den Ausgang 205 des Maximumsuchers 20 an den Speicher 22 gelegt
wird. Nach Anzeige der detektierten Fahrtrichtung werden die Speicher 31, 32 über den
Eingang 204 des Maximumsuchers 20 von einem Clear-Impuls
der Steuereinheit 28 gelöscht.
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Die
Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel der Vorrichtung
beschränkt.
So kann anstelle der digitalen Signalverarbeitung auch eine anloge
treten. Die Fahrtrichtungsanzeigen 26, 27 werden üblicherweise
nicht in das Gehäuse 16 mit einbezogen,
sondern entfernt vom Meßort
in einer Überwachungsstation
installiert. Die Ansteuerung der Fahrtrichtungsanzeigen 26, 27 durch
die Komparatorausgangssignale erfolgt dann über eine geeignete Funkstrecke.