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Diese Erfindung betrifft im Allgemeinen
Systeme und Anordnungen zur Bestimmung des Vorhandenseins mehrerer
Umgebungsbedingungen in Verbindung mit einem Fahrzeug, und insbesondere
ein System, das den Betrieb einer Einrichtung steuern kann, wie
die Fenster, das Verdeck, die Klimaanlage, einen Luftentfeuchter,
die lufttechnische Anlage oder die Windschutzscheibenwischer eines
Fahrzeugs, als Reaktion auf die Anwesenheit von Flüssigkeitstropfen
auf einer durchsichtigen Oberfläche
davon, wie die Windschutzscheibe des Fahrzeugs, auf die Anwesenheit
von Kondensation auf der Innenseite der Windschutzscheibe des Fahrzeugs,
oder auf die Anwesenheit von Rauch im Fahrzeug.
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Im Stand der Technik wurden zahlreiche
Anstrengungen unternommen, um ein System bereitzustellen, das die
Windschutzscheibenwischer eines Fahrzeugs als Reaktion auf die Anwesenheit
von Wasser auf der Windschutzscheibe, verlässlich zu steuern. Die Mehrheit
der bekannten Anordnungen muss direkt auf die Windschutzscheibe
angebracht werden, was zu einer unansehnlichen Verdrahtung führt, die
sich von einem Sensor erstreckt, der mit der Innenseite der Windschutzscheibe
verbunden wurde und wird darüber
hinaus dem erforderlichen Niveau nicht gerecht, um die ärgerliche
und ablenkende Falsch-Auslösung
der Windschutzscheibenwischer zu vermeiden. Hinsichtlich der Falschauslösung der Windschutzscheibenwischer,
lösen viele
der bekannten Anordnungen eine falsche Andeutung von Regen als Reaktion
auf Schwankungen im Umgebungslicht aus, wie es der Fall sein würde, wenn
ein Fahrzeug im Schatten der Telefonmasten oder unter Autobahnbeleuchtung
fährt.
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Existierende optische Regensensoren
vom Typ, der üblicherweise
innerhalb von Fahrzeugen befestigt werden, sind an die Windschutzscheibe
auf der Wischerbahn angebracht. Optische Sensoren beinhalten im
allgemeinen eine Lichtquelle, wie eine LED, und einen Fotodetektor,
gewöhnlich
einen Fototransistor oder eine Fotodiode, die derart angeordnet sind,
dass dann, wenn sich keine Regentropfen auf der Windschutzscheibe
befinden, Licht von der LED vollständig innerhalb an der Außenseite
der Windschutzscheibe auf eine Fotodiode reflektiert wird. Wenn
sich ein Regentropfen auf die Windschutzscheibe absetzt, werden
dort, wo der Lichtbündel
reflektiert wird, die Bedingungen für die gesamte innere Reflexion
gestört,
und die Lichtintensität
in dem reflektierten Bündel
wird vermindert. In diesen bekannten Systemen wird eine relativ
große
Anordnung an LEDs und Fotodioden benötigt, um wenige Quadratinch
auf der Windschutzscheibe zu überwachen.
Die Abmessungen des überwachten
Gebiets der Windschutzscheibe müssen
ausreichend groß sein,
um ein genaues Beispiel der Zufallsverteilung von Regentropen bereitzustellen,
die auf die Oberfläche
der Windschutzscheibe fallen. Wie erwähnt, muß die Anordnung der LEDs und
Fotodioden auf der Innenseite des Fahrzeugs auf der Windschutzscheibe
auf der Wischerbahn befestigt sein.
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Ein weiteres Problem, das mit bekannten
Anordnungen in Verbindungen gebracht wird, sind die Kosten. In den
meisten der gegenwärtig
erhältlichen Ausführungen,
wird ein Fotodetektor für
jede LED in der Anordnung benötigt.
Daher ist ein Regensensor nötig,
der wirtschaftlich ist und der nicht auf die Windschutzscheibe des
Fahrzeugs angebracht werden muss.
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Neben der Ablagerung von Wasser auf
der Außenseite
der Windschutzscheibe, sammelt sich Wasser auf der Innenseite der
Windschutzscheibe in Form von kondensiertem Wasserdampf an. Ein
derart kondensierter Wasserdampf kann innerhalb weniger Minuten
die Durchsicht durch das Fenster auf ein gefährliches Maß vermindern. In derartigen
Situationen, ist es erforderlich, dass durch Betätigen der Klimaanlage die Entnebelungsfunktion
ausgelöst
wird, um die Luft zu entfeuchten. Die Betätigung der Klimaanlage senkt
im Allgemeinen die Beschlagmenge auf der Innenseite der Windschutzscheibe
in relativ kurzer Zeit.
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In einem Fahrzeug ist es zudem nützlich,
die Rauchansammlung in der Fahrzeugkabine zu verringern, die sich
aus dem Rauchen von Tabak der Insassen ergibt. Der Fahrer des Fahrzeugs
wird gegebenenfalls einen rauchenden Fahrgast durch offensichtliches
Betätigen
der Belüftungsregler
ungern in Verlegenheit bringen. Demgemäß, wäre es für die Belüftung wünschenswert, wenn sie sich
als Reaktion auf die Anwesenheit von Rauch in der Kabine automatisch
betätigen
würde.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
eine Anordnung bereitzustellen, die einfach ist und die Anwesenheit
von Wassertropfen auf der Außenseite
der Windschutzscheibe eines Fahrzeugs verlässlich erkennt.
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Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung
eine Anordnung bereitzustellen, die einfach ist und die Anwesenheit
von kondensiertem Wasserdampf auf der Innenseite der Windschutzscheibe
eines Fahrzeugs verlässlich
erkennt.
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Es ist auch eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
eine Anordnung bereitzustellen, die einfach ist und die Anwesenheit
von Rauch in der Kabine eines Fahrzeugs verlässlich erkennt.
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Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
ein System für
die automatische Betätigung
der Windschutzscheibenwischer eines Fahrzeugs bereitzustellen, als
Reaktion auf die Anwesenheit von Wasser auf der Windschutzscheibe.
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Es ist eine zusätzliche Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, ein System für
die automatische Betätigung
eine Klimaanlage oder eines Entfeuchtersystems bereitzustellen,
als Reaktion auf die Anwesenheit von kondensiertem Wasserdampf auf
der Windschutzscheibe. Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, ein System zur automatischen Betätigung des Kabinenbelüftungssystems bereitzustellen,
als Reaktion auf die Anwesenheit von Rauch, wie Zigarettenrauch,
in der Kabine des Fahrzeugs.
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Es ist auch eine weitere Aufgabe
der vorliegenden Erfindung, ein System bereitzustellen, das auf
den Lichteffekt durch mehrere Umgebungsbedingungen reagiert, während die
Empfänglichkeit
für Schwankungen
im Umgebungslichtniveau erhalten bleiben. Es ist auch eine zusätzliche
Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System bereitzustellen,
das auf den Lichteffekt durch mehrere Umgebungsbedingungen in der
Nähe der
Windschutzscheibe eines Fahrzeugs reagiert, ohne dass es nötig ist,
einen direkten Kontakt zwischen dem System und der Windschutzscheibe
herzustellen.
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Es ist noch eine weitere Aufgabe
der vorliegenden Erfindung, einen Windschutzscheibenwischerregelsensor
bereitzustellen, der nicht direkt auf der Windschutzscheibe des
Fahrzeugs angebracht ist.
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Es ist noch eine weitere Aufgabe
der vorliegenden Erfindung, einen Windschutzscheibenwischersteuersensor
bereitzustellen, der auf dem Armaturenbrett eines Fahrzeugs angebracht
ist.
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Die JP-A-62 043 543 offenbart die
Erkennung von Licht, das durch Wassertropfen reflektiert wird. Die
US-A-S 059 877 offenbart die Abwesenheit von Reflexion durch die
Windschutzscheibe, wie durch Wassertropfen verursacht. Sie offenbart
auch Lichtimpulse.
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Die vorstehend aufgeführten und
weitere Aufgaben werden durch diese Erfindung gelöst, die ein
Gerät und
ein Verfahren zur Steuerung der Betätigung der Windschutzscheibenwischer
eines Fahrzeugs als Reaktion auf die Ablagerung von Wasser auf der
Außenseite
der Windschutzscheibe, die Betätigung
der Klimaanlage als Reaktion auf die Bildung von Wasserkondensation
auf er Innenseite der Windschutzscheibe des Fahrzeugs, und die Betätigung des
Belüftungssystems
als Reaktion auf die Anwesenheit von Rauch in der Kabine des Fahrzeugs,
bereitstellt,.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung, wird
eine Anordnung zum Erzeugen eines Steuersignals bereitgestellt,
das auf eine vorbestimmte Umgebungsbedingung eines Fahrzeugs des
Typs reagiert, der eine Windschutzscheibe mit einer Innen- und einer
Außenseite
hat, wobei die genannte Anordnung Folgendes umfasst: eine Lichtquelle
zum Erzeugen einer Strahlungsenergie und zum Richten derselben auf
die Windschutzscheibe, wobei ein erster Teil der genannten Strahlungsenergie
von der Windschutzscheibe reflektiert wird und ein zweiter Teil
der genannten Strahlungsenergie als Reaktion auf die Umgebungsbedingung
auf der Innenseite oder der Außenseite
der Windschutzscheibe gestreut wird, einen Treiber, der mit der
genannten Lichtquelle gekoppelt ist, wobei der genannte Treiber
ein zyklisches Freigabesignal mit sequentiellen ersten und zweiten
Zuständen
erzeugt, um zu bewirken, das die Lichtquelle die genannte Strahlungsenergie
nur in den Zeitintervallen erzeugt, während der sich das genannte
zyklische Freigabesignal in dem genannten ersten Zustand befindet,
einen Lichtsensor mit einem Eingang zum Empfangen eines Umgebungslichtes
und eines empfangenen Teils der zyklisch variierenden Strahlungsenergie,
die als Reaktion auf die Umgebungsbedingung auf der Innenseite oder
des Außenseite der
Windschutzscheibe gestreut wurde, wobei der genannte Lichtsensor
ferner einen Sensorenausgang zum Erzeugen eines elektrischen Sensorenausgängssignals
hat, das auf die an dem genannten Eingang empfangene Strahlungsenergie
anspricht, eine Schaltung, die mit dem genannten Sensorenausgang
gekoppelt ist, um ein erstes elektrisches Signal zu erzeugen, das
auf den genannten empfangenen Teil des genannten zweiten Teils der
genannten Strahlungsenergie von der genannten Lichtquelle anspricht,
und ein zweites elektrisches Signal, das im Wesentlichen auf das
genannte Umgebungslicht anspricht, und einen Prozessor mit einem
ersten Eingang zum Empfangen des ersten elektrischen Signals und
einem ersten Ausgang zum Erzeugen des genannten Steuersignals, dadurch
gekennzeichnet, dass Umlenkflächen
zwischen der Quelle, dem Sensor und der Innenseite der Windschutzscheibe
vorgesehen sind, um zu verhindern, dass die genannte Strahlungsenergie
direkt von der Windschutzscheibe auf den Sensor reflektiert wird,
und dadurch, dass das Steuersignal verwendet wird, um ein System
des Fahrzeugs, das der genannten Umgebungsbedingung ausgesetzt ist,
automatisch zu betreiben.
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In einer speziellen erläuternden
erfindungsgemäßen Ausführungsform
stimmt der zweite reflektierte Teil der Strahlungsenergie im Wesentlichen
mit dem Anteil der Windschutzscheibe überein, die von den Wassertropfen
bedeckt ist.
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Die Schaltung kann mit einem Verstärker versehen
sein, der mit dem Sensorenausgang gekoppelt ist, um ein verstärktes Signal
zu erzeugen, das auf das elektrische Signal anspricht, das auf Licht
anspricht, das an dem genannten Eingang des genannten Lichtsensors
empfangen wird.
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Eine auf Phase ansprechende Einrichtung
ist mit dem genannten Verstärker
und dem genannten Treiber gekoppelt, um ein zeitvartables Signal
zu erzeugen, das auf einen Unterschied zwischen der Größe des elektrischen
Sensorenausgangssignals, wenn sich das zyklische Freigabesignal
im ersten Zustand befindet, und der Größe des elektrischen Sensorenausgangssignals
anspricht, wenn sich das zyklische Freigabesignal im zweiten Zustand
befindet. In einer Ausführungsform
sind eine erste und zweite Verstärkungsstufe
bereitgestellt, die jeweils vorbestimmbare Verstärkungskenndaten haben. Die
erste und zweite Verstärkungsstufe
sind miteinander über Wechselstrom
gekoppelt.
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Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform
ist ein Integrator bereitgestellt, der mit dem auf Phase ansprechendes
Mittel gekoppelt ist, um ein zeitvariables Signal mit der Zeit zu
integrieren, um ein Regensignal zu erzeugen. Der Integrator hat
eine Integrationszeit-Kennkonstante, die größer ist als die eines Zyklus
des zyklischen Freigabesignals. Zusätzlich ist ein Prozessor bereitgestellt, der
mehrere Eingänge
zum Empfangen des Regensignals und des zweiten elektrischen Signals,
das im Wesentlichen auf das Umgebungslicht anspricht, zu empfangen.
Es wird ein Steuersignal am Ausgang des Prozessors erzeugt. Die
Ansprechempfindlichkeit des Gesamtgerätes auf das Quantum von Wassertropfen
auf der Windschutzscheibe ist mit einem Empfindlichkeitsregler einstellbar,
der mit dem Prozessor gekoppelt ist. Das Steuersignal wird zum Betätigen des
Windschutzscheibenwischers eingesetzt.
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In bestimmten erfindungsgemäßen Ausführungsformen,
wird ein Zeitregler für
den Windschutzscheibenwischer bereitgestellt, um ein Signal zu erzeugen,
das auf die Dauer eines Wischzyklus des Windschutzscheibenwischers
anspricht. Dies ist hilfreich, um festzustellen, ob die Windschutzscheibe nass
oder trocken ist, da ein Wischzyklus an einer trockenen Windschutzscheibe
im Allgemeinen länger dauert.
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Das Steuersignal am Ausgang des Prozessors
ist nicht auf die Betätigung
des Windschutzscheibenwischers beschränkt. In einigen erfindungsgemäßen Ausführungsformen
kann das Steuersignal eingesetzt werden, um ein Fenster zu betätigen, wie beispielsweise
ein Fenster mit elektrischem Scheibenheber, das sich im Fall, dass
Regen erkannt wird, schließen
würde.
In anderen Ausführungsformen, kann
das Steuersignal bereitgestellt sein, um ein Verdeck zu betätigen, das
sich als Reaktion auf die Erkennung von Regen schließen würde.
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In einer bevorzugten endungsgemäßen Ausführungsform
hat das zyklische Freigabesignal eine Frequenz in einem Bereich
zwischen etwa 5 kHz und 100 kHz. Die Integrationszeitkonstante hat
einen Wert von etwa zwischen 0,5 ms und 250 ms. Zusätzlich kann
eine Anordnung, die in Form einer Lichtumlenkung mit einem oder
mehreren Geräten
dadurch zum Regeln oder anderweitige Bestimmung der Lichtsensorenansicht,
insbesondere in Hinsicht auf den Lichtsensor bereitgestellt sein.
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In Ubereinstimmung mit dem erfindungsgemäßen Verfahrensaspekt,
wird ein Verfahren bereitgestellt, wie in Anspruch 19 beansprucht.
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In einer Ausführung dieses weiteren erfindungsgemäßen Verfahrensaspekts,
ist die Umgebungsbedingung in Form von Wassertropfen gegeben, die
auf der Außenseite
der Windschutzscheibe ausgesetzt sind. In einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform
ist die Umgebungsbedingung Wasserdampf, der an der Innenseite der
Windschutzscheibe kondensiert. In dieser Ausführungsform wird das zyklisch
variierende Licht von dem kondensiertert Wasserdampf gestreut. In
einer weiteren endungsgemäßen Ausführungsform
ist die Umgebungsbedingung die Anwesenheit von Rauchpartikeln in
dem Fahrzeug, auf der Bahn zwischen der Lichtquelle und dem Lichtsensor.
In so einer Ausführungsform
wird das zyklisch variierende Licht durch Rauchpartikel gestreut.
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Es ist wichtig, zu erkennen, dass
jede oder alle der vorstehend aufgeführten Umgebungsbedingungen,
die erkannt werden, durch dieselbe Anordnung erkannt werden können. Die
Identifizierung der jeweiligen Umgebungsbedingung, die hinsichtlich des
Fahr zeugs vorhanden ist, kann durch Software bestimmt werden. Wenn
beispielsweise ein Fahrzeug in einem Modus zur Entfernung des Beschlags
auf den Fenstern betrieben wird, in dem die Entnebelungsfunktion
durch den Einsatz der Klimaanlage zum Entfeuchten der Luft ausgeführt wird,
dann kann beobachtet werden, dass dann, wenn die relative Feuchtigkeit
im Innern des Wagens derart ist, dass Nässe an der Windschutzscheibe
kondensiert, sich die Nebelmenge an der Windschutzscheibe bis die Klimaanlage
einsetzt, erhöht,
wonach das Nebelniveau stark sinkt. Ein für das Verfahren charakteristisches
Merkmal ist, dass die Zeit für
die Feuchtigkeitsausbildung immer länger ist als die Zeit für die Feuchtigkeitsverdunstung
an der Windschutzscheibe. Die Zeit für die Feuchtigkeitsausbildung
ist kaum weniger als etwa 20 Sekunden, und kann mehrere Minuten andauern,
während
die Verdunstung über
einen Zeitraum von wenigen Sekunden bis zu vielleicht etwas über eine
Minute auftreten kann.
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Rauchen hat ein charakteristisches
Merkmal, das zwar ausgeprägt
ist, jedoch nicht ganz so deutlich ist, wie das für die Feuchtigkeitskondensation
an der Windschutzscheibe. Rauchen weist eine Zeitdauer mit bedeutenden
Schwankungen innerhalb weniger Sekunden auf. Auch die Zeit für die Rauchausbildung
ist immer kürzer
als die Zeit für
deren Streuung.
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Hinsichtlich eines Signals für die Kondensation
von Feuchtigkeit und Nebel, wie von einer Regenerkennungsanordnung
erkannt, wie nachstehend beschrieben wird, wird festgestellt, dass
Feuchtigkeit, die an der Windschutzscheibe kondensiert, Licht von
der Lichtquelle zurückstreut,
die in Form einer LED sein kann, die sich dem Regensignal auferlegt und
durch die Fotodiode erkannt wird, nachdem sie durch einen synchronisierten
Verstärker
läuft.
Auch Rauch, der zwischen der LED und der Windschutzscheibe durchläuft, erhöht die Menge
an zurückgestreuter
Strahlung, der durch die Fotodiode erkannt wird, nachdem er den
synchronisierten Verstärker durchlaufen
hat und sich dem Regensignal auferlegt. In so einer Ausführungsform,
die allen drei Typen von Umgebungsbedingungen ausgesetzt ist, kann
Software eingesetzt werden, um die drei verschiedenen Signale, d.
h. Regen, Nebel und Rauch zu unterscheiden, ohne die Verwirrung
durch Auslösung
der Windschutzscheibenwischer nur in Anwesenheit von Nebel und Rauch.
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Das Verständnis der Erfindung wird durch Lesen
der folgenden detaillierten Beschreibung, in Verbindung mit den
anliegenden Zeichnungen, vereinfacht, worin,
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1 eine
schematische Darstellung bestimmter Aufbauelemente, die nach den erfindungsgemäßen Prinzipen
angeordnet sind ist;
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2 eine
Funktionsblock-Darstellung von in Verbindung mit dem Aufbau von 1 verwendeten Stromkreisen
zur Erzeugung von Signalen entsprechend der Anwesenheit von Regen
oder Nebel an der Windschutzscheibe oder Rauch und die Größe des auftreffenden
Umgebungslichtes, ist;
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3 eine
Funktionsblock-Darstellung eines Mikroprozessors, der die Signale
empfängt,
das durch den Aufbau in 2 erzeugt
wurden, und der eine Windschutzscheibenwischersteuereinheit regelt,
ist;
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4 ist
eine schematische Darstellung einer Schaltung, die in der Ausführung von 2 eingesetzt werden kann;
und
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5 ist
eine schematische Darstellung eines Stromkreises ist, der die Lichtausstrahlende
Diode, die auf eine Uhr anspricht, betreibt.
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1 ist
eine schematische Darstellung bestimmter Ausbauelemente, die gemäß den erfindungsgemäßen Prinzipen
konfiguriert sind. So sind insbesondere eine Lichtquelle in Form
einer LED 11 und eine Fotodiode 12, unterhalb
einer Umlenkfläche 13 angeordnet,
die eine Öffnung
15 dadurch für
LED 11 und eine Öffnung 16 für die Fotodiode 12 aufweist. Die
Umlenkfläche 13 kann
die oberste Fläche
des Armaturenbretts (nicht gezeigt) eines Fahrzeugs (nicht gezeigt)
sein. Wie nachstehend erläutert,
sind die Öffnungen 15 und 16 derart
so angeordnet, dass sie Licht daran hindern, direkt von der Fotodiode
durch die Windschutzscheibe reflektiert zu werden.
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Der Betrieb der Umlenkfläche 13 mit
den Durchgangsöffnungen 15 und 16 ist
in 1 erläutert. Wie
gezeigt, wird ein Lichtstrahl 20 von der LED 11 abgesetzt
und trifft auf die Innenseite 21 der Windschutzscheibe 17 auf.
Der Lichtstrahl wird als Strahl 22 zurückgeworfen, was in der Figur
gezeigt ist, um auf der Umlenkfläche 13 aufzutreffen.
Etwas von dem Licht von LED 11, wie Lichtstrahl 23 trifft
auf der Innenseite 21 der Windschutzscheibe auf, wo er
in und durch die Windschutzscheibe zu einem Regentropfen 25 gebrochen
wird. Der Regentropfen streut das Licht entlang eines zurückgestreuten
Strahls 26 zurück,
der durch die Öffnungen 16 und
in die Fotodiode 12 verbreitet wird. So kann man sehen,
dass das Licht von LED 11 nur nachdem es, wie durch einen
Regentropfen, zurückgestreut
wurde, auf Fotodiode 12 gerichtet ist. Lichtintensität, die an
einer Schnittstelle zurückgeworfen
wird, steht mit dem Verhältnis
der Bruchindexe der zwei Medien an gegenüberliegenden Seiten der Schnittstelle
in Beziehung. Der Bruchindex der meisten Gläser ist etwa 1,5, während der
Bruchindex von Wasser bei 1,33 liegt, und der Bruchindex von Luft
ist 1,00. Wenn ein Regentropfen anwesend ist, wird, anstatt einer
Brechung, die an der Außenseite
der Windschutzscheibe entsteht, da die Diskontinuität in dem
Bruchindex zwischen dem Glas und der Luft relativ hoch ist, das Licht
von der LED in den Regentropfen übertragen, und
die Reflexion tritt an der Diskontinuität des Bruchindex und der gekrümmten Luft-Wasser-Schnittstelle
an der Außenseite
des Regentropfens auf. Diese Oberfläche reflektiert das Licht über einen
großen winkligen
Bereich in das Fahrzeug zurück,
worin manche Strahlen die Fotodiode treffen.
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Das Fotodiodensignal ist proportional
zu der Bruchfläche
der Windschutzscheibe, die mit Regentropfen bedeckt ist, was der
Weise ungefähr
gleich kommt, auf die die menschliche Sicht durch Regentropfen behindert
wird. Der winklige Bereich, über den
das Licht reflektiert wird, hängt
von der Querschnittsbreite des Regentropfens an der Wasser-Glas-Schnittstelle ab,
d. h. vom Durchmesser des Regentropfenteils, der das Glas berührt, und,
bis zu dem Ausmaß,
dass seine Außenseite
durch den Radius dieser Sphäre
als Sphäre
eingeschätzt
werden kann. Wenn das Verhältnis
Breite zu Radius für verschieden
große
Regentropfen dasselbe wäre, würden sie
alle Licht über
denselben winkligen Bereich reflektieren. Bei der Annahme von sphärischen Regentropfen
mit demselben Breite-zu-Radius-Verhältnis, hängt die
Lichtmenge, die in eine vorgegebene Richtung reflektiert wird, nur
von der Querschnittskontaktfläche
des Regentropfens ab. Somit, ist die Gesamtmenge des Lichts, das
in den Fotodetektor zurückgeworfen
wird, proportional zu der Glasfläche, die
mit Regentropfen bedeckt ist. Auch die visuelle Verdunkelung des
Regens ist ungefähr
proportional zu der mit Regentropfen bedeckten Fläche. Daher
ergibt sich, dass die Lichtintensität, die durch die Regentropfen
an einer Windschutzscheibe zurück
zur Fotodiode reflektiert wird, ein guter Maßstab ist für die durch den Regen verursachte
Verdunkelung, die einem Fahrer widerfährt, und dass das Signal, das durch
diesen Regensensor erkannt wird, geeignet ist, um die visuelle Wahrnehmung
von Regen durch den Fahrer, zu ermessen.
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Das erfindungsgemäße Regendetektorsystem sollte
unter den verschiedensten Bedingungen arbeiten. Gelegentlich scheint
die Sonne, während es
regnet, und das LED-Licht, das durch die Regentropfen reflektiert
wird, muss bei Sonnenlicht erkennbar sein. Dies wird durch Modulieren
der LED 11 auf eine Bezugsfrequenz und Auswählen der
Fotodiode, die auf der gleichen Frequenz in Phase mit dem modulierten
LED-Licht läuft,
worin ein Typ von Phasen-empfindlichem Verstärker verwendet wird, der manchmal
als synchronisierter Verstärker
bezeichnet wird.
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In der 1 sind
auch die Lichtstrahlen 20 und 23 gezeigt, wie
sie LED 11 verlassen. Wie vorstehend beschrieben, wird
der Lichtstrahl 30 von der Innenseite 21 der Windschutzscheibe 17 reflektiert und
durch die Öffnung 16 der
Fotodiode verbreitet. Jeder Strahl, der weiter links passiert, wird
die Öffnung 15 der
LED 11 treffen und daher werden keine Strahlen, die direkt
durch die Windschutzscheibe reflektiert werden, die Fotodiode 12 erreichen.
Es ist jedoch möglich,
dass ein Strahl von LED 11 zweimal gestreut wird und die
Fotodiode erreicht. Da die Öffnungen
mit gründlicher
Sorgfalt erstellt werden, erreicht nur relativ wenig Licht durch
Streuung oder durch Licht, das von anderen Objekten als Regentropfen
reflektiert wird, die Fotodiode. Auch wenn etwas Licht, das nicht
durch Regentropfen gestreut wurde, die Fotodiode erreicht, verhindert
es die Erkennung von Regentropfen nicht wesentlich. Es verringer
jedoch den dynamischen Bereich des Detektors. Die nachstehend beschriebene
Elektronik wird durch eine geringere Regenmenge auf der Windschutzscheibe
gesättigt,
da etwas von dem dynamischen Bereich durch Licht, das von anderen
Objekten gestreut wird, stark in Anspruch genommen wird. Wie nachstehend
beschrieben, kann etwas Licht auch durch die Anwesenheit von kondensiertem Wasserdampf
(nicht gezeigt) an der Innenseite 21 der Windschutzscheibe 17,
oder durch die Anwesenheit von Rauch (nicht gezeigt) in der Kabine
des Fahrzeugs gestreut werden.
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2 ist
eine Funktionsblock-Darstellung eines elektronischen Systems, das
nach den erfindungsgemäßen Prinzipien
konstruiert ist. Die Elektronik, die hinsichtlich der Figuren beschrieben
ist, erkennt die winzigen Brüche
des LED-Lichts, das die Fotodiode erreicht, in dem großen Umgebungslichthintergrund,
der volles Sonnenlicht umfassen kann. Gemäß 2, betreibt eine Uhr 30 einen
LED-Antrieb 31, der mit einer LED-Anordnung 32 gekoppelt ist.
LED-Anordnung 32 trägt
ein analoges Verhältnis zu
LED 11 in 1.
Wie in 2 gezeigt, ist
das Licht von LED-Anordnung 32 durch Windschutzscheibe 17 verbreitet
und in Regentropfen 25 gestreut, um zur Fotodiode 12 reflektiert
zu werden.
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Die Uhr 30 und der LED-Antrieb 31 wirken zusammen,
um ein rechteckiges Ausgabesignal (nicht gezeigt) zu erzeugen, wobei
die LED-Anordnung auf die Hälfte
der Uhrperiode gestellt wird. Der von der LED-Anordnung 32 weitergegebene
Lichtanteil, der an der Fotodiode 12 empfangen wird, wird
in ein Stromsignal umgewandelt, das an einem Eingang eines Wechselstromwiderstand-Verstärkers 35 bereitgestellt
ist. Der Ausgang des Wechselstromwiderstand-Verstärkers 35 ist
eine Spannung, die proportional zum Fotodiodenstrom ist. Dieses
Spannungssignal wird dann zu einem Verstärker 36 geleitet.
Das Ausgabesignal vom Verstärker 36 wird
zu einer Verstärkungsstufe 37 geleitet,
die einen regelbaren Verstärker
von +1 oder –1
aufweist, und eingesetzt wird, um das Signal vom Hintergrund zu
trennen. Wie gezeigt, hat Verstärkungsstufe 37 Eingänge zum
Empfangen von Phasenreferenzen von der Uhr 30. Der Verstärker ist
auf +1 gestellt, wenn die LED an ist, und auf –1, wenn die LED ausgeschaltet
ist. Da das Umgebungslicht während
der beiden Hälften
der Uhrperiode die gleiche ist, ist die Summe der beiden Hälften (Regensignal
+ Umgebungslicht), wenn der Verstärker +1 ist, und (-Umgebung)
wenn der Verstärker –1 ist.
Wenn diese addiert werden, ist das Ergebnis das Regensignal, d.
h. (Regensignal + Umgebung) + (-Umgebung) = Regensignal.
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Eine den Durschnitt-ermittelnden
Stufe 38 erzeugt einen Durchschnitt über die Zeit r, der im Vergleich
zu einer Uhrpertode lang ist. Die vorstehend beschriebene Addition,
die das Regensignal vom Umgebungshintergrund trennt, tritt in der
Durchschnitt-ermittelnden Stufe 38 auf. Ein Ausgangsverstärker 39 stellt
zusätzliche
Verstärkung
bereit und erzeugt das Regensignal an seinem Ausgang.
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Um die Empfindlichkeit des Regendetektors derart
zu ändern,
dass sie Nachtfahrbedingungen entspricht, durch die das Auge durch
Regen an der Windschutzscheibe mehr gestört ist, wird ein Umgebungslichtsignal
vom Ausgang des Wechselstromwiderstands-Verstärkers 35 abgeleitet.
Während
der Betätigung
zur Tageszeit, erzeugt das Umgebungslicht viel mehr Strom in der
Fotodiode als das Licht, das durch die Regentropfen zurückgestreut
wird, so dass der Ausgang des Wechselstromwiderstands-Verstärkers ein
ungefährer
Maßstab
des Umgebungslichtsignals ist. Bei niedrigen Himmelhelligkeitsbedingungen,
ist der Ausschlag des Umgebungslichtsignals verringert. Diese Information
wird zu einem Mikroprozessor 40 geleitet, der mit einem Ausgang
davon an einen Wischerregler 41 gekoppelt ist. Mikroprozessor 40 ist
mit einem Analog-Digital-Umwandler (nicht gezeigt) bereitgestellt,
der das Schwellniveauregensignal, das nötig ist, um einen zu verringernden
Wisch zu erzeugen, ändert.
Zusätzlich stellt
Mikroprozessor 40 Steuersignale für die Belüftungs- und Entfeuchterregler
bereit.
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Eine andere Situation, für die der
Schwellenwert, der für
die Durchführung
eines Wischs durch die Wischer erforderlich ist, verringert werden
soll, ist, wenn große
Regentropfen auf die Windschutzscheibe treffen. Für eine vorgegebene
Fläche
der Windschutzscheibe, die von kleinen oder großen Tropfen bedeckt ist, lenken
große
Tropfen den Fahrer visuell viel mehr ab. Eine mathematische Formel,
die auf die geringfügig
größeren statistischen
Schwankungen großer
Tropfen gegen kleine Tropfen empfindlich reagiert, kann folgendermaßen geschrieben
werden:
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-
Hier ist m; die Veränderung
im Regensignal zwischen dem iten Zeitelement
und dem Zeitelement (i-1), das zwischen zwei aufeinanderfolgenden Durchgängen der
Wischerscheibe durch den Regensensor auftritt, und mave ist
der Durchschnittswert von mi über dem
Intervall zwischen zwei aufeinanderfolgenden Wischen. Die Menge
Q ist das Quadrat der Standard-Abweichung
von mi, die durch (mave)2 normalisiert wird, um ein dimensionsunabhängiges Verhältnis zu
schaffen. Für
größere Regentropfen,
die durch größere Schwankungen
gekennzeichnet sind, ist Q größer als
für kleine
Tropfen, und kann eingesetzt werden, um das Schwellniveau des Regensignals
zu verringern, das nötig
ist, um einen Wisch zu erzeugen. Auch 3 zeigt
drei Eingänge
zum Mikroprozessor: das Regensignal, das Umgebungslichtsignal und
einen getrennten Eingang, der vom Fahrer bestimmt wird (nicht gezeigt),
um die Schwellmenge an Regen anzupassen, die einen Ausgang am Wischerregler
erzeugt, der einen Wisch auslöst.
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Es gibt Zeiten, in denen es schwer
zu sagen ist, wann die Windschutzscheibe von all dem Wasser sauber
gewischt wird. Wenn das Wasser beispielsweise eine dünne, sehr
leichte Schicht ist, wird es wenig Strahlung an den Fotodetektor
streuen. Eine andere Art, um einen unabhängigen Maßstab für die Trockenheit einer Windschutzscheibe
zu erhalten, ist durch Überwachung
der Zeit zwischen aufeinanderfolgenden Wischen eines Windschutzscheibenwischers.
Da die Windschutzscheibe trockener wird, entsteht mehr Reibung zwischen
dem Wischer und dem Glas, und der Wischermotor verlangsamt sich, wobei
sich die Zeit zwischen den Wischvorgängen erhöht. Während der Überwachung der Zeit zwischen
den aufeinanderfolgenden Durchgängen
der Wischerscheibe vor dem Regensensor, erscheint der Durchgang
des Wischers als sehr großes
Aufschlagsignal, das für
den kurzen Bruchteil von Sekunden zwischen den Wischvorgängen bleibt.
Dieses Merkmal kann vom Mikroprozessor 40 verwendet werden, um
zu bestimmen, ob die Windschutzscheibe trocken genug ist, um den
Wischer zu schließen.
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4 ist
eine schematische Darstellung eines elektrischen Stromkreises für einen
Phasenempfindlichen Verstärker.
Wie vorstehend angegeben; erzeugt Fotodiode 12 einen Strom
in dem Wechselstromwiderstands-Verstärker 35. U dieser
spezifisch darstellenden Ausführungsform,
ist der Wechselstromwiderstands-Verstärker aus einem Verstärker 50 mit
einem Rückkopplungswiderstand 51 gebildet. Der
Verstärker 50 erzeugt
an seinem Ausgang das Umgebungslichtsignal. In dieser Ausführung hat
der Rückkopplungswiderstand 51 einen
Wert von 56 kΩ. Der
Wechselstromwiderstands-Verstärker
ist über den
Kondensator 52 mit dem Verstärker 38 gekoppelt,
der aus einem Verstärker 53 gebildet
ist, der mit einem Vater-Verstärker 54 Wechselstrom-gekoppelt ist.
Verstärker 53 hat
eine Verstärkung
von 100, so wie Verstärker 54.
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Verstärker 36 ist an seinem
Ausgang mit Verstärkungsstufe 47 gekoppelt,
die mit mehreren Schaltungen 56 bereitgestellt ist, die
an den ergänzenden
Ausgängen
von Uhr 30 angebracht sind, wie nachfolgend in Bezug auf 5 beschrieben.
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Um kurz auf 5 Bezug zu nehmen, ist diese Figur eine
schematische Darstellung der Uhr 30 und LED-Antrieb 31.
Wie gezeigt, ist Uhr 30 aus einem Schwinger 60 gebildet,
der an seinem Ausgang mit einem Flip-Flop vom Typ D 61 gekoppelt
ist. Flip-Flop 61 hat ergänzende Ausgänge 62 und 63, worin
Ausgang 63 mit dem LED-Antrieb 31 gekoppelt ist,
der in Form eines Transistors 64 ist. Transistor 64 treibt
LED-Strahl 32 an, wie hierin beschrieben.
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Unter erneuter Bezugnahme auf die 4, werden die Schaltungen 56 als
Reaktion auf Ausgangssignale 62 und 63 des Flip-Flops 61 geöffnet und
geschlossen, um die Verstärkung
von +1 und –1, wie
vorstehend in Bezug auf 2 beschrieben,
bereitzustellen. Verstärkungsstufe 37 ist
mit dem Durchschnittsstromkreis 38 gekoppelt, der so auf
einem Gleichstrom-Aufbau basiert, dass der Durchschnitts-Zeitregler τ = RC ist.
In diesem Stromkreis besteht R aus zwei in Serie geschalteten 1,1
KΩ-Widerständen, so
dass R = 2,2 KΩ und
C = 5μ sind,
so dass τ =
11ms ist. Ausgang der Verstärkungsstufe 39 stellt
eine abschließende
Verstärkung
von 10 bereit, und stellt das Regensignal, sowie Nebel- und Rauchsignale
an einem Ausgang davon bereit.
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Wie vorstehend erläutert, ist
die vorliegende Erfindung nützlich,
um die Anwesenheit von Wasserdampf auf der Innenseite der Windschutzscheibe
und Rauch in der Fahrzeugkabine festzustellen. In erfindungsgemäßen Ausführungen,
in denen gewünscht wird,
die Anwesenheit von Kondensation auf der Windschutzscheibe oder
Rauch festzustellen, wird die vorliegende Erfindung betätigt, um
drei Signale, Regen, Nebel und Rauch zu trennen, und nicht durch die
Hin- und Herbewegung des Windschutzscheibenwischers verwirrt zu
werden.
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Die Logik, die sich hinter diesem
Verfahren verbirgt, ist folgende. Das niedrigste Niveausignal, das
aus dem Verschluss-Verstärker
herauskommt, ist als „sauberes" Windschutzscheibensignal
gespeichert. Somit bringt das Hin- und Herfahren der Windschutzscheibenwischer
die Datenverarbeitung nicht durcheinander, wenn ein schnelles Ansteigen
der Signale vorliegt (mit einer Anstiegs- und Abfallzeit von etwa
100), das leicht erkannt und aus den analysierten Daten ausgeschlossen
wird. Das Feuchtigkeitssignal steigt linear von dem sauberen Windschutzscheibenniveau
mit einer kennzeichnenden Zeit von 20 Sekunden bis zu mehreren Minuten.
Es hat einen Ausschlag, der um ein Vielfaches größer ist, als das größte Regensignal,
so dass es nicht mit der Bildung von Regen auf der Windschutzscheibe
verwechselt wird. Auch wenn die Wischer gerade wischen, ändert sich
das Feuchtigkeitssignal nicht, wenn die Wischer passieren. Meistens,
wenn Kondensationsflüssigkeit auf
dem Glas ist, regnet es gerade, so dass es mehrere unterschiedliche
Bedingungen für
den Mikroprozessor gibt, die es zu erfüllen gilt, nachdem er eine
innere Nebelbedingung erkannt hat. Die Bestätigung besteht darin, dass
dann, wenn Nebel erkannt wird, der auf der Windschutzscheibe kondensiert,
wodurch die Klimaanlage eingeschaltet wird, das Signal (Verschlussverstärkerausgangssignal)
sich schnell verringern sollte (der Zeitbereich ist kurz, verglichen
mit der Zeit, die zur Beschlagbildung erforderlich ist), um den
Fensterbereich zu säubern.
Hinsichtlich des Ausgangssignals, das zur Klimaanlage wandert, könnte es
sich entweder um ein Binärsignal,
wenn ein bestimmtes Nebelniveau erkannt wird, oder um ein geeichtes
Signal handeln, das proportional zu der Nebelmenge auf der Windschutzscheibe
ist, und dazu eingesetzt würde,
den Entfeuchter ein- und auszuschalten.
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Der Rauch-Erkennungsprozess ist ähnlich zu
dem vorstehend Beschriebenen. Nachdem der Wischdurchgang vom Signal
entfernt wurde (das Ausgangssignal vom Verschlussverstärker), ist
eine große
schnelle Schwankung mit einem Zeitbereich von 250 ms bis 5 Sekunden
die erste Bedingung, die durch ein Rauchsignal erfüllt werden
muss. Diese Zeiten sind von dem Durchgang der Wischer und von der
Schwankung durch Nebel deutlich verschieden. Zusätzlich ist dieses Signal um
ein Vielfaches größer als
jedes Regensignal oder Spritzer und stellt die zweite Bedingung
dar, die es zu erfüllen
gilt. Auch ist die Zeit für
den Anstieg des Rauchsignals immer kürzer als die Zeit für dessen
Absinken, die dritte Bedingung. Es ist schwieriger, ein Ausgangssignal
zu erzeugen, das proportional zur Rauchmenge ist. Es wäre besser,
einen binären
Ausgang zu haben, der eingesetzt wird, um den Einlass von Außenluft
in das Insassenabteil zu regeln.
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Obwohl die Erfindung im Hinblick
auf spezifische Ausführungsformen
und Anordnungen beschrieben wurde, können Fachleute, im Lichte dieser Lehre
zu weiteren Ausführungen
gelangen, ohne den Schützbereich
zu verlassen oder vom Eigentlichen der beanspruchten Erfindung abzuweichen.
Demgemäß ist klar,
dass Zeichnungen und die Beschreibung in dieser Offenbarung gegeben
werden, um das Verständnis
der Erfindung zu erleichtern und nicht dahingehend zu verstehen
sind, dass der Schutzbereich dadurch beschränkt wird.
