DE3587441T2 - Anordnung zur Fahrzeug-Geschwindigkeitsmessung über Grund mit Signalausfallkompensation. - Google Patents

Description

• Diese Erfindung bezieht sich auf einen Sensor zum Erfassen der Relativgeschwindigkeit zwischen einem Objekt, das sich relativ zu einem anderen bewegt, wie die Geschwindigkeit über dem Boden eines Fahrzeuges, zum Beispiel eines landwirtschaftlichen Fahrzeuges.
• An den meisten landwirtschaftlichen und Gelände-Maschinen, die heutzutage in Verwendung sind, wird die Drehzahl oder Fahrzeuggeschwindigkeit über einen magnetischen Aufnehmer gemessen, der die Raddrehzahl erfaßt. Es gibt allerdings Probleme mit dieser Meßtechnik. Zum Beispiel können die hinteren oder Antriebsräder relativ zum Boden Schlupf aufweisen, wodurch fehlerhafte Bodengeschwindigkeits-Meßwerte hervorgebracht werden. Wenn die Bodengeschwindigkeit von den Vorderrädern erfaßt wird, können dadurch, daß die Räder zeitweilig vom Boden abgehoben sind, diese nicht mit der wahren Bodengeschwindigkeit drehen. Infolge einer Lenkung können die Vorderräder die Bodengeschwindigkeit wegen Rutschens nicht genau nachführen.
• Durch die Ungenauigkeiten, die durch diese Art der Bodengeschwindigkeits-Messung entstehen, kann diese nicht effektiv als Eingangsparameter für ein Regelsystem, beispielsweise für eine Bewässerungs-, Pflanz- oder andere Geräte- oder Fahrzeug-Steuerungen, verwendet werden. Um diese Probleme zu lösen, wurden Doppler-Bodengeschwindigkeits-Erfassungssysteme vorgeschlagen.
• Die Geschwindigkeit vg kann aus der Frequenzverschiebung Df zwischen dem empfangenen und dem gesendeten Signal über eine modifizierte Dopplergleichung bestimmt werden:
• (1) vg = (c·Df) / (ft·2·cos α)
• wobei α der Winkel der Signal-Sendeachse gegenüber der Horizontalen, c die Schallgeschwindigkeit und ft die Sendesignalfrequenz ist.
• Ein vorgeschlagenes Doppler-Ultraschall-Bodengeschwindigkeits-Meßsystem wird in der US-Patentanmeldung, Ser. No. 609,626 beschrieben, die am 14. Mai 1984 eingereicht und auf den Anmelder dieses Patentes übertragen wurde (12676-US). Diese und andere Geschwindigkeits-Erfassungssysteme verwenden Phasenflankenregelungen (PLL) in den signalverarbeitenden Schaltkreisen. In solchen Systemen, wie sie auch in der europäischen Patentanmeldung EP-A-162 646 beschrieben sind, welche die Priorität der US-Patentanmeldung, Ser. No. 609,626 in Anspruch nimmt, kann die Größe des empfangenen Signals in ihrer Amplitude aufgrund von Änderungen des Reflektionsvermögens des Bodens und aufgrund kurzzeitiger schädlicher Interferenzen zwischen Wellenfronten aus verschiedenen Reflektionsbereichen des Bodens erheblich schwanken. Große Schwankungen der Empfangssignalgröße können Signalausfallzeiten verursachen, während der die Empfangsfrequenz nicht erfaßbar ist, weil die Empfangssignalamplitude zu klein ist. Diese Signalausfallzeiten können dazu führen, daß solche Systeme ein fehlerhaftes oder ein mit systematischen Fehlern behaftetes Geschwindigkeits-Ausgangssignal erzeugen. Genauer gesagt, kann die geringe Empfangssignalgröße dazu führen, daß die PLL aus ihrem Verriegelungs-Zustand fällt, was dazu führt, daß die Ausgangsspannung der PLL auf Null sinkt. Deshalb wird das Ausgangssignal der PLL im Betrieb zwischen Null und einem fehlerfreien Anzeigewert der Bodengeschwindigkeit schwanken. Wenn dieses Ausgangssignal gemittelt oder gefiltert wird, ergibt sich eine fehlerhafte, zu geringe Anzeige der Bodengeschwindigkeit.
• Das US-Patent 4,359,734 offenbart einen Doppler-Geschwindigkeitsdetektor, der eine Phasenflankenregelschleife 41 am Empfänger einsetzt. Diese Phasenflankenregelung wird zum Nachführen bei einer Frequenz verwendet, welche zwischen der gesendeten und empfangenen Frequenz liegt.
• Die internationale Anmeldung WO 83/1120 offenbart eine Ausfall-Kompensationsschaltung für einen Doppler-Geschwindigkeitssensor, in welcher die Doppler-Verschiebung nachgeführt wird. Entsprechend der Offenbarung dieser Druckschrift trennt ein Schalter 52 bei einem Ausfall einen Komparatorausgang von einem Integrator. Ein Ausfall wird erfaßt, wenn an einem Eingang keine Impulse anliegen.
Zusammenfassung der Erfindung
• Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Geschwindigkeits-Erfassungssystem mit einem einfachen und zuverlässigen System zum Kompensieren der Amplitudenschwankungen des reflektierten bzw. empfangenen Signales zur Verfügung zu stellen.
• Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Geschwindigkeits-Erfassungssystem vom Dopplertyp zu schaffen, welches unempfindlich hinsichtlich Sendefrequenz- und Bauteilverschiebung ist.
• Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Geschwindigkeits-Erfassungssystem vom Dopplertyp mit einer Möglichkeit, Signalausfälle zu erfassen, bereitzustellen, das keine Probleme hinsichtlich des Zeitverhaltens aufweist.
• Diese und andere Aufgaben werden mit der vorliegenden Erfindung, wie sie im Anspruch 1 bezeichnet ist, gelöst, welche einen Ultraschallsender und -Empfänger sowie eine Signal-Verarbeitungsschaltung aufweist. Die Signal-Verarbeitungsschaltung beinhaltet ein Paar von Phasenflanken-Regelungskreisen (PLL), von denen die erste die Sendefrequenz und die zweite die Reflektionsfrequenz empfängt. Ein Ausfall-Erfassungsschaltkreis weist einen Komparator auf, welcher das reflektierte Signal empfängt und deren gleichgerichtete und gemittelte Amplitude mit einem Schwellenwert vergleicht. Wenn diese gleichgerichtete und gemittelte Amplitude ausfällt oder unter den Schwellenwert fällt, schaltet der Komparator ein und öffnet einen Schalter in der zweiten PLL derart, daß das Ausgangssignal der zweiten PLL für die Dauer des Ausfallzustandes im wesentlichen unverändert bleibt. Aus der Differenz zwischen den Ausgangssignalen der ersten und zweiten PLL wird ein Ausgangssignal, welches die Bodengeschwindigkeit (hinsichtlich Größe und Richtung) repräsentiert, abgeleitet. Im Ergebnis ist das Ausgangssignal im wesentlichen unbeeinflußt von Ausfall-Zuständen des reflektierten Signal.
• Diese und andere Aufgaben werden auch von einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung gelöst, welche einen Taktgenerator, von dem die gesamte Zeitzählung abgeleitet wird, einen Sendeverstärker und -Meßwandler, einen Empfangsverstärker und -Meßwandler, einen Digital-Frequenzdetektor und einen Signal-Ausfall-Erfassungs- und -Halteschaltkreis beinhaltet.
• Die Taktgeneratorfrequenz wird auf die Sendefrequenz (vorzugsweise 40 kHz) heruntergeteilt, um den Sendeverstärker und den -Meßwandler anzusteuern. Das empfangene Echo wird verstärkt, quadriert und dem Frequenzdetektor zugeführt, wo die Differenz zwischen seiner Periode und der des Sendesignales gemessen wird. Diese Differenz ist proportional zur Geschwindigkeit.
• Der Frequenzdetektor beinhaltet zwei Abwärts-Zähler. Einer wird von dem Empfangssignal angesteuert, der andere wird von einem Signal angesteuert, dessen Frequenz aus dem Taktgenerator abgeleitet ist. Der Empfangszähler startet den Taktzähler und schaltet diesen ein und aus.
• Während jedes Meßintervalles zählt der Taktzähler die Zahl der Taktzyklen, die während einer bestimmten Anzahl (1280) von Empfangszyklen auftreten. Da die Sendefrequenz auch von dem Taktgenerator abgeleitet wird, repräsentiert jede Zählung des Taktzählers einen festen Bruchteil eines Sendezyklusses. Daher repräsentiert der Endzählstand die Differenz zwischen der gesendeten und empfangenen Periode, ausgedrückt in Zeitdauern der Sendeperiode, nicht in Zeitdauern einer unabhängigen Bezugsgröße. Dies macht den Detektor-Ausgang unempfindlich gegen Drift in der Haupt-Taktfrequenz oder von Änderungen der Charakteristik der Schaltungskomponenten.
• Am Ende jedes Meßintervalles wird der Endzählstand für die Ausgabe festgehalten und der Zählprozeß beginnt erneut.
• Der Ausfall-Detektor beobachtet die Amplitude des Empfangssignales. Damit wird bei beiden Ausgestaltungen das mit einer variablen Amplitude behaftete reflektierte Signal von einem Eingang einer Ausfall-Erfassungsschaltung empfangen. Ein Ausfall wird dann angenommen, wenn diese Amplitude unter einen Minimalpegel fällt, für welchen noch eine richtige Dopplerverschiebung zuverlässig erfaßt werden kann. Wenn der Ausfall-Zustand in der bevorzugten Ausgestaltung auftritt, werden der Takt- und Empfangszähler gesperrt, und der Frequenzdetektor wartet, bis der Ausfall-Zustand beendet ist. Zu diesem Zeitpunkt wird das Zählen wieder aufgenommen.
• Die vorliegende Erfindung unterscheidet sich vom Stand der Technik gemäß dem US-Patent 4,359,734 und der internationalen Anmeldung WO 83/1120 zumindest durch das Merkmal, daß die Phasenflankenregelung auf der Frequenz des Empfangssignales selbst arbeitet, und dadurch, daß der Ausfall-Detektor abhängig von dem Pegel des Empfangssignales ist, um Ausfälle zu erfassen, wenn der Signalpegel unter einen vorbestimmten Schwellenwert fällt.
Kurze Erläuterung der Zeichnungen
• Fig. 1 ist ein vereinfachtes schematisches Bild eines Geschwindigkeits-Meßsystems.
• Fig. 2 ist ein schematisches Blockschaltbild einer Ausgestaltung der Signal-Verarbeitungsschaltung von Fig. 1.
• Fig. 3 bis 7 stellen detaillierte Schaltungsdiagramme von verschiedenen Bereichen der Fig. 2 dar.
Detaillierte Beschreibung
• Das Bodengeschwindigkeitserfassungssystem 10 beinhaltet eine kontinuierliche Ultraschall-Sender- und -Empfängereinheit 12 zur Befestigung an einem tieferen Rahmenteil 14 eines Fahrzeuges. Die Einheit 12 hat Sende- und Empfangstrichter 16 bzw. 18, die vorzugsweise in eine Vorwärts-Richtung unter einem Winkel α von etwa 37 Grad aus der Horizontalen ausgerichtet sind. Eine Signal-Verarbeitungseinheit 20 liefert ein Ultraschall-Sendesignal T an die Einheit 14 und erhält ein Signal von der Einheit 14. Die Trichter können konventionelle Ultraschalltrichter sein, jedoch sind sie vorzugsweise ähnlich der Trichteranordnung gemäß US-Patentanmeldung 660,819, am 15. Oktober 1984 eingereicht (12817), welche auf den Anmelder des vorliegenden Falles übertragen wurde. Die Trichter 16 und 18 sind mit einem entsprechenden konventionellen Ultraschall-Sender 22 und -Empfänger 24 gekoppelt. Der Sender 22 sendet vorzugsweise kontinuierlich eine Sendefrequenz ft von 40 kHz.
• Die Ausgabe des Empfängers 24 ist ein reflektiertes Signal R mit der Frequenz fr. Kreuzkopplung zwischen dem Sender und dem Empfänger wird vorzugsweise dadurch eliminiert, daß Kork eingesetzt wird, um die Trichter 16 bzw. 18 voneinander akustisch zu isolieren oder durch Aufhängung der Trichter über bekannte Gummi-"Stoßbefestigungen", durch Anbringen einer akustischen Zwischenwand oder Teilung zwischen den Trichtern und durch Verwenden von Kork, um Abschnitte der Trichter, aus welchen Ultraschall-Energie andernfalls entweichen könnte, akustisch zu umschließen.
• Wenn die Trichter 16 und 18 bezüglich der Fahrzeugbewegung in Vorwärtsrichtung auf den Boden gerichtet sind, wird das reflektierte Signal R eine Reflexionsfrequenz fr haben, die höher ist als ft, sofern sich das Fahrzeug und das System 10 vorwärtsbewegen. Demgegenüber wird die Frequenz fr geringer als ft sein, wenn das Fahrzeug und das System 10 sich rückwärts bewegen.
• Wie am besten in Fig. 2 erkennbar ist, beinhaltet die Signal-Verarbeitungsschaltung 20 einen Oszillator 32, der die 40 kHz-Frequenz liefert. Die Schaltung 20 empfängt auch das Ausgangssignal R des Empfängers 24. Das Sendesignal T wird dem Sender 22 und einer Referenzschaltung 34 der Phasenflankenregelung zugeführt. Die Referenz-PLL 34 enthält einen Phasenkomparator 36, ein Tiefpaßfilter 38 und einen Spannungsgesteuerten Oszillator 40, die wie dargestellt verbunden sind. Die Referenz-PLL 34 stellt eine Referenzspannung Vt bei 42 zur Verfügung, welche proportional zu der Sendefrequenz ft ist, weniger 40 kHz.
• Das Ausgangssignal (R) des Empfängers 24 wird von einem Eingangsverstärker 43 empfangen. Der Ausgang des Eingangsverstärkers 43 ist an einen Quadrierverstärker 44 und einen Amplituden-Komparator oder "Ausfall"-Erfassungs-Schaltkreis 46 angeschlossen. Der Schaltkreis 46 richtet das R-Signal gleich und vergleicht die Mittelwert-Amplitude des gleichgerichteten R-Signales mit einer Schwellenspannung Vth, z. B. 2 V, welche geringfügig höher als die Amplitude ist, bei welcher die PLL aus ihrem Verriegelungszustand herausfällt. Der Ausgang des Schaltkreises 46 liegt gewöhnlich auf tiefem Niveau, geht jedoch auf hohes Niveau während Perioden, bei denen der Ausgang 24 tief ist oder ausfällt. Der Ausgang des Quadrierverstärkers 44 wird zu einem weiteren bzw. Empfangsdetektor 48 mit Phasenflankenregelung geführt.
• Der Empfangs-PLL-Detektor 48 enthält einen Phasenkomparator 50, einen Filter-Schaltkreis 52 mit einem Halteschalter, welcher von dem Ausgang der Schaltung 46 gesteuert wird, und einen spannungsgesteuerten Oszillator 54. Damit erzeugt die PLL 48 bei Anschluß 56 eine Spannung Vr, welche proportional zu der Frequenz fr des Empfangs-Signales R ist, weniger 40 kHz.
• Die Spannungen Vt und Vr werden einem Differenzverstärker 58 zugeführt, der eine Ausgangsspannung Vo erzeugt, die proportional zu f = (fr-ft) ist, was seinerseits proportional zu der Fahrzeug-Bodengeschwindigkeit vg ist. Die PLL 34 wird vorzugsweise nahe der Empfangs-PLL 48 angeordnet und enthält dieselben Typen von temperaturempfindlichen Komponenten. Da die Bezugs-PLL 34 direkt von dem Sendesignal T angesteuert wird und da die Ausgänge der PLLs 34 und 48 voneinander subtrahiert werden, wird eine Drift des Ausgangssignals Vo aufgrund von temperaturinduzierter Drift im Oszillator 32 oder in den gleichartigen Komponenten der PLLs 34 und 48 eliminiert.
• Für weitere Details, die sich auf die Schaltung gemäß Fig. 2 beziehen, wird der Leser auf die Fig. 3 bis 7 verwiesen. Darüberhinaus wird darauf hingewiesen, was am besten aus Fig. 7 ersichtlich ist, daß die Empfangs-PLL 48 einen Integrationsverstärker IC10 (mit Rückführ-Kondensator C4) enthält. Der Ausgang des Phasenkomparators 50 ist an einen Eingang des Integrationsverstärkers IC10 über einen Spannungs-Steuerschalter IC1 und an einen Proportional-Verstärker (IC7) angeschlossen. Der Schalter IC1 arbeitet so, daß dann, wenn das Ausgangssignal des Schaltkreises 46 tiefliegt (wenn keine Signal-Ausfall-Bedingung besteht), der Eingang von IC10 an den Ausgang des Phasenkomparators 50 angelegt ist, so daß das Ausgangssignal Vr von IC10 kontinuierlich in seiner Größe variiert, und zwar proportional zu Änderungen in der Frequenz des Empfangssignales R. Wenn jedoch die Amplitude von R "ausfällt", wird der Ausgang des Ausfall-Erfassungsschaltkreises 46 hochgelegt, wodurch der Schalter IC1 veranlaßt wird, den Ausgang des Phasenkomparators 50 von dem Eingang von IC10 abzutrennen. Damit bleibt das Ausgangssignal Vr von IC10, sofern ein Ausfall im Empfangssignal auftritt, so lange unverändert, bis die Ausfall-Bedingung beendet ist.
• Das Ausgangssignal des Proportional-Verstärkers IC7 und das Ausgangssignal Vr des IC10 werden durch den Invertier- und Summierverstärker IC8 miteinander summiert. Das Ausgangssignal von IC8 ist an den Eingang des VCO 54 angeschlossen, um den Phasenregelkreis 48 zu vervollständigen.

Claims (6)

1. Doppler-Geschwindigkeitssensor mit

- einem Sender (22) zum Senden eines Signals mit einer Sendefrequenz (ft) zu einem dazu relativ bewegten Objekt,

- Mitteln (32, 36, 38, 40) zum Bereitstellen eines ersten Signals (Vt), das proportional zu der Differenz zwischen einer vorbestimmten Frequenz und der Sendefrequenz (ft) ist,

- einem Empfänger (24) zum Empfangen eines dopplerverschobenen Signals (R), welches von dem Objekt reflektiert wurde,

- einer Schaltung (48), die eine Phasenflankenregelung (50, 52, 54) aufweist, welche abhängig ist von dem Empfangssignal (R) aus dem Empfänger (24) und ein zweites Signal (Vr) bereitstellt, das Bezug hat zu der Frequenz (fr) des Empfangssignales (R), und

- Mitteln (58) zum Kombinieren des ersten und zweiten Signals, um ein Ausgangssignal (Vo) zu erzeugen, welches repräsentativ für die der Dopplerverschiebung (Df) entsprechenden Geschwindigkeit der Relativbewegung (Vg) ist, dadurch gekennzeichnet, - daß die Phasenflankenregelung (50, 52, 54) auf der Empfangsfrequenz (fr) selbst einrastet, um das zweite Signal (Vr) zur Verfügung zu stellen, das proportional zu der Differenz zwischen der vorbestimmten Frequenz und der Empfangsfrequenz (fr) ist,

- daß das zweite Signal (Vr) die Steuerspannung für einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO, 54) der Phasenflankenregelung (50, 52, 54) ist,

- daß ein Ausfall-Detektor (46) vorgesehen ist, welcher abhängig ist von dem Pegel des Empfangssignales (R), um Ausfälle dieses Signals nachzuweisen, sofern der Signalpegel unter einen vorbestimmten Schwellenwert (Vth) fällt, und

- daß die Phasenflankenregelung (50, 52, 54) von dem Ausfall-Detektor (46) so gesteuert ist, daß das Ausgangssignal (Vr) während eines Ausfalls unverändert gehalten wird.

2. Doppler-Geschwindigkeitssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausfall-Detektor einen Gleichrichter (D1, D2) zum Gleichrichten des reflektierten Signales (R), Glättungsmittel (IC6, C9) zum Glätten des gleichgerichteten Signals und einen Komparator (IC11) zum Vergleichen des gleichgerichteten und geglätteten Signales mit dem Schwellenwert (Vth) aufweist.

3. Doppler-Geschwindigkeitssensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenflankenregelung (48) einen spannungsgesteuerten Oszillator (54), einen Phasenkomparator (50), der das Ausgangssignal des Oszillators (54) mit dem reflektierten Signal (R) vergleicht, einen Integrator (IC10, C4), der das Ausgangssignal des Komparators (50) integriert, um eine Steuerspannung für den Oszillator (54) zu bilden, und einen Schalter (IC1) aufweist, der von dem Ausfall-Detektor (46) gesteuert ist, um das Ausgangssignal des Komparators (50) von dem Integrator (IC10, C4) während der Anwesenheit eines Ausfalls zu trennen.

4. Doppler-Geschwindigkeitssensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Integrator (IC10, C4) das Ausgangssignal (Vr) mit einer Größe zur Verfügung stellt, die der Geschwindigkeit der Relativbewegung entspricht.

5. Doppler-Geschwindigkeitssensor nach Anspruch 3 oder 4, gekennzeichnet durch einen Summierverstärker (IC8), welcher ein Signal zu dem Ausgangssignal des Integrators (IC10, C4) addiert, das proportional zu dem Ausgangssignal des Phasenkomparators (50) ist, um die Steuerspannung für den spannungsgesteuerten Oszillator (54) bereitzustellen.

6. Doppler-Geschwindigkeitssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine zweite Phasenflankenregelung (34), die bei der Frequenz des Sendesignales (T) eingerastet ist und das Referenzsignal (Vt) zur Verfügung stellt.