DE3728737C2 - Optisches Kollisionsverhütungsgerät - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein optisches Kollisionsverhütungsgerät zur Anbringung auf einem Fahrzeug, entsprechend dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Ein derartiges opti­ sches Kollisionsverhütungsgerät dient zur Warnung vor sich nähernden Fahrzeugen, insbe­ sondere Luftfahrzeugen.

Bekannte und zur Zeit verwendete Kollisionsverhütungssysteme sind kostspielig, hochent­ wickelt, komplex und erfordern oft die Zusammenwirkung mit anderen Systemen. Selbst die hochentwickelten elektronischen Systeme, die heute verfügbar sind, waren nicht immer er­ folgreich bei der Verhütung von Flugzeugzusammenstößen in der Luft, speziell Zusammen­ stößen mit kleinen Flugzeugen. Die meisten Unfälle in der Luft in der jüngsten Vergangen­ heit hätten verhindert werden können, wenn eine Vorrichtung oder ein System an Bord beider oder aller Flugzeuge vorhanden gewesen wäre, die/das den Piloten auf die Nähe eines ande­ ren Luftfahrzeuges aufmerksam gemacht hätte. Hochentwickelte Systeme verwenden Radar oder Radiosignale, die ein Gerät eines ebenso ausgerüsteten Luftfahrzeuges aktivieren kön­ nen.

Ein optisches Kollisionsverhütungsgerät entsprechend dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 ist aus der CH 561125 bekannt. Diese Schrift betrifft eine Steuerungsanlage für eine Sicher­ heitseinrichtung an einem Kraftfahrzeug mittels Sende- und Empfangseinrichtungen. Dabei werden die von dem Fahrzeug ausgesendeten Lichtsignale von dem Gegenstand oder der Per­ son, der/die in Kollisionsgefahr mit dem mit der Sicherheitseinrichtung ausgerüsteten Kraft­ fahrzeug ist, so reflektiert, daß sie von der Empfangseinrichtung wieder aufgenommen wer­ den können. Diese Reflexion kann in zuverlässig wiederholbarer und nachprüfbarer Form nur mit geeigneten Reflektoren erfolgen. Daher ist dieses System immer darauf angewiesen, daß auch der kollisionsgefährdete Gegenstand technisch mit ihm zusammenwirkende Mittel (hier Reflektoren) aufweist.

Ein weiteres optisches Kollisionsverhütungsgerät ist aus der DE-OS 28 32 436 bekannt. Die­ se Schrift beschreibt eine Warnanlage für Kraftfahrzeuge zum Schutz vor Auffahrunfällen, die neben einem optischen Sender einen Infrarot- oder Mikrowellensender hat. Der Infrarot- oder Mikrowellensender ist so mit dem optischen Sender gekoppelt, daß er bei Auslösung des optischen Senders ebenfalls Signale abgibt, die in einem Empfänger eines sich nähernden Kraftfahrzeugs ein insbesondere akustisches Warnsignal erzeugen. Optische Sender zur Ab­ gabe von Warnsignalen sind jedoch wegen fehlender Schlechtwettertauglichkeit nur begrenzt einsetzbar, und außerdem: kann dieses System nur dann einen Alarm auslösen, wenn ein dar­ auf abgestimmtes entsprechendes Gegengerät an dem kollisionsgefährdeten Gegenstand an­ gebracht ist.

Ein weiteres optisches Kollisionsverhütungsgerät ist aus der DD 2 09 152 bekannt. Diese Schrift beschreibt ein Auffahrwarnsystem für Fahrzeuge, wobei am Heck eines Fahrzeugs ein lichtempfindliches elektronisches Bauelement angeordnet ist, das beim Auftreffen eines Lichtstrahles eines Nachfolgefahrzeugs einen elektronischen Schwellwertschalter betätigt, der über einen elektrischen Leistungsschalter eine Warnleuchte auslöst. Der zu warnende Fahr­ zeuglenker ist dabei jedoch darauf angewiesen, daß das andere Fahrzeug, mit dem er mögli­ cherweise kollidieren könnte, mit einem entsprechenden Warnsystem ausgerüstet ist. Außer­ dem ist dieses Kollisionswarngerät nur bei Dunkelheit einsetzbar.

Diese genannten bekannten Vorrichtungen sind aktiver Art, was bedeutet, daß sie bestimmte Signale senden und empfangen müssen, um eine Warnung zu erzeugen. Für die beabsichtigte Wirkung müssen daher alle Fahrzeuge mit demselben System ausgerüstet sein, damit das Ge­ samtsystem zuverlässig arbeitet. Beispielsweise Eigentümer von kleinen Luftfahrzeugen kön­ nen es sich jedoch nicht leisten, tausende von Dollar oder DM in eine derartige Ausrüstung bei einem verhältnismäßig billigen Luftfahrzeug zu investieren, das unter Umständen weniger kostet, als das Kollisionsverhütungssystem. Berücksichtigt man die hohen Kosten und die Unzuverlässigkeit, so ist eine andere Annäherung an Systeme zur Verhütung von Fahrzeug­ kollisionen und zur Warnung vor herannahenden Fahrzeugen erforderlich.

Durch die vorliegende Erfindung soll daher ein Kollisionsverhütungsgerät geschaffen werden, das herannahende Fahrzeuge, insbesondere Luftfahrzeuge, entdeckt und eine Warnung abgibt, dabei aber nur geringe Kosten verursacht und zuverlässig arbeitet. Das Gerät soll unabhängig von Geräten oder Systemen arbeiten, die in anderen Fahrzeugen vorhanden sind. Es soll auf eine Charakteristik oder Eigenschaft nahezu aller Luftfahrzeuge, insbesondere Flugzeuge, an­ sprechen, um zu warnen, wenn sich ein solches Luftfahrzeug innerhalb eines vorgegebenen Abstandes befindet. Das Gerät soll auf pulsierende Lichtquellen innerhalb der Umgebung des Erkennungsgerätes ansprechen. Das Gerät soll schließlich auf die Frequenz von pulsierendem Licht abgestimmt sein, das von einem Objekt ausgeht, während es Lichtsignale aller anderen Lichtquellen unterdrückt.

Diese Aufgabe wird durch das optische Kollisionsverhütungsgerät gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Demnach hat das Gerät einen optischen Detektor, der gegenüber pulsierendem Licht empfindlich ist, insbesondere von getakteten oder Blitzlichtquellen an fremden Land- oder Luftfahrzeugen. Das Ausgangssignal des optischen Detektors wird einer Erkennungsverhü­ tungsvorrichtung zugeführt, die die Erfassung anderer Umgebungslichtquellen verhindert, sowohl von Menschen erzeugter als auch anderer nicht pulsierender Lichtquellen. Eine Ent­ fernungsbestimmungsvorrichtung sorgt dafür, daß nur Signale pulsierender Lichtquellen in­ nerhalb eines vorgegebenen Entfernungsbereichs ausgewertet werden. Eine Alarmanzeige­ vorrichtung ist dafür vorgesehen, dem Fahrer oder Piloten pulsierende Lichtquellen der vor­ bestimmten Art und innerhalb des vorbestimmten Entfernungsbereichs anzuzeigen. Eine Richtungserkennungsvorrichtung gibt an, aus welcher Richtung das pulsierende Licht emp­ fangen wird. Eine Richtungsanzeigevorrichtung zeigt dem Fahrer oder Piloten schließlich die entsprechende Richtung an.

Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

So kann eine Blockierschaltung zur Unterdrückung von Signalen stetiger, d. h. nicht pulsierender Lichtquellen dienen.

Ein Bandpaßfilter innerhalb der Erkennungsverhütungsvorrichtung kann Signale aller pulsierenden Lichtquellen außerhalb des Durchlaßbandes des Bandpaßfilters unterdrücken.

Ein Pulsbreitendiskriminator kann zur Unterdrückung unerwünschter momen­ taner, pulsierender Lichtsignale dienen.

Ein Lichtamplitudendetektor kann erkennen, ob die Amplitude einer er­ kannten pulsierenden Lichtquelle ausreicht, um das Alarmanzeigegerät auszulösen. Dieser Lichtamplitudendetektor kann einen Schwellenwertde­ tektor enthalten.

Eine Ortserkennungsvorrichtung erkennt den Ort der ausgewählten pulsie­ renden Lichtquelle. Diese Ortserkennungsvorrichtung kann mehrere opti­ sche Detektoren, einen Koordinatenwandler zum Vergleichen und Umwandeln der Ausgangssignale dieser Detektoren und ein Anzeige gerät für die Aus­ gangssignale des Koordinatenwandlers enthalten.

Der optische Detektor kann einen Fototransistor enthalten, und dieser kann ansprechen auf Frequenzen im Bereich von 0,5 bis 1,0 Mikrometer.

Eine Version des Kollisionsverhütungsgerätes ist ausreichend empfindlich zur Anwendung bei Luftfahrzeugen, die den allgemeinen Sichtflugbestim­ mungen für Luftfahrzeuge unterliegen. Ein Bereich von drei bis fünf Ki­ lometern (zwei bis drei Meilen) ist für diesen Zweck geeignet. Ein weni­ ger empfindliches Gerät könnte einen Bereich von 300 bis 500 m (1000 bis 1500 Fuß) abdecken, was für die Kontrolle von Verkehrssignalen durch Notfahrzeuge geeignet wäre. Z. B. können Krankenfahrzeuge, Feuerwehr- und Polizeifahrzeuge mit getakteten Blinklichtern oder Baken automatisch Verkehrssignale in einer gewählten Entfernung auf Rot schalten, um den sonstigen Verkehr zu stoppen. Ein noch weniger empfindliches Gerät mit einem Bereich von z. B. 150 in könnte in Kraftfahrzeugen nützlich sein, um es einem Fahrer zu ermöglichen, die Nähe von Notfahrzeugen anzuzei­ gen, obgleich im seinem Fahrzeug die Fenster geschlossen sind, eine Kli­ maanlage eingeschaltet ist oder das Radio tönt.

Ausführungsbeispiele mit weiteren Merkmalen der Erfindung werden im fol­ genden anhand der Zeichnungen beschrieben.

Fig. 1 ist ein Blockschaltbild eines Kollisionsverhütungsgerätes.

Fig. 2 ist ein halbschematisches Schaltbild desselben Kollisionsver­ hütungsgerätes.

Das Blockdiagramm von Fig. 1 zeigt ein optisches Kollisionsverhütungs­ gerät. Ein Lichtimpulsdetektor 10 ist ein speziell ausgewählter Foto­ transistor, der empfindlich ist für ein Lichtband innerhalb eines weiten Spektrums, das pulsierende Lichtquellen einschließt. Das heißt, es ist empfindlich im Wellenlängenbereich von 0,5 bis 1,0 Mikrometer. Um zu vermeiden, daß der Lichtimpulsdetektor auf Taktimpulse des Wirtsfahrzeu­ ges reagiert, ist eine Austastschaltung 12 (blanking circuit) vorgese­ hen, die den Lichtimpulsdetektor (einen Fototransistor) 10 hindert zu arbeiten, wenn die eigenen Lichtquellen des Wirtsfahrzeuges oder Wirts­ flugzeuges blinken. Jedes Aufblitzen der Lichtquellen des Wirtsfahrzeu­ ges ruft ein Ausgangssignal der Austastschaltung 12 hervor, das die Ar­ beit des Lichtimpulsdetektors 10 unterbricht.

Wenn der Lichtimpulsdetektor 10 einen Lichtimpuls einer Wellenlänge, für die er empfindlich ist, wahrnimmt, gibt er ein Ausgangssignal an eine Gleichstromblockierschaltung 14. Diese enthält ein R/C-Glied, das die Übertragung aller Ausgangssignale vom Lichtimpulsdetektor 10 blockiert, die nicht von pulsierenden Lichtquellen herrühren. Die Gleichstrom­ blockierschaltung 14 läßt also zu der folgenden Verarbeitungsschaltung nur Signale durch, die von pulsierendem Licht herrühren. Das Ausgangs­ signal der Gleichstromblockierschaltung wird dann einem Bandpaßfilter 16 zugeführt, der alle Frequenzen unterdrückt, die nicht in das Durchlaß­ band des Filters fallen. Hierdurch werden Signale aller pulsierenden Lichtquellen eliminiert mit Ausnahme derjenigen, die für die Erkennung ausgewählt sind.

Ein Schutz gegen andere unerwünschte pulsierende Lichtquellen wird fer­ ner durch einen Pulsbreitendiskriminator 18 geschaffen, der alle uner­ wünschten momentanen Lichtimpulssignale eliminiert, wie z. B. die durch Blitze, Sonnenlicht, Mondschein, zufällige Blitze etc. erzeugten Sig­ nale. Der Pulsbreitendiskriminator 18 erhöht außerdem die Empfindlich­ keit des Geräts nur für die pulsierenden Lichtquellen, die zur Erkennung ausgewählt sind.

Ein Schwellenwertdetektor 20 dient zur Einstellung der Empfindlichkeit der Verarbeitungsschaltung auf den gewünschten Bereich, d. h. die ge­ wünschte Entfernung. Aufgenommene Signale, die nicht oberhalb einer ein­ gestellten Schwelle des Schwellenwertdetektors 20 liegen, lösen keine Warnung aus. Der Erkennungsbereich kann also durch geeignete Einstellung des Schwellenwertdetektors 20 gewählt werden. Je empfindlicher die Schaltung, desto größer die Entfernung. Wie oben erwähnt, kann dies für Flugzeuge bis zu 4,8 km (3 Meilen) bedeuten, während es für private Landfahrzeuge nur 150 m (500 Fuß) bedeuten kann. Wird ein Signal passen­ der Frequenz und passender Stärke zum Aktivieren des Schwellenwertdetek­ tors 20 wahrgenommen, so aktiviert ein Ausgangssignal dieses Schwellen­ wertdetektors ein Ton-Warngerät 22, z. B. ein Horn, eine Glocke oder ir­ gendein anderes geeignetes Audiowarnsystem.

Der Ausgang des Schwellenwertdetektors 20 ist außerdem mit einem X-Y- Koordinaten-Wandler 24 verbunden, der Ausgangssignale von einem oder mehreren zusätzlichen Erkennungskanälen 26 empfängt. Der X-Y-Koor­ dinaten-Wandler bestimmt den Winkel und die relativen Abstände gegenüber dem wahrgenommenen Ziel durch Abtasten und Vergleichen der Stärken auf­ genommener Impulse, die von verschiedenen Sensoren der zusätzlichen De­ tektorkanäle stammen. Das Ausgangssignal des X-Y-Koordinaten-Wandlers 24 aktiviert eine LED (lichtemittierende Diode) oder LCD (Flüssigkristall­ anzeige) oder ein anderes Sichtanzeigegerät 28. Das ganze Gerät kann durch eine Stromversorgung 30 betrieben werden, z. B. eine Bordbatterie oder andere Bordstromquelle oder eine getrennte Stromquelle.

Bei Verwendung an einem Luftfahrzeug können mehrere Lichtimpulsdetekto­ ren und zugehörige Schaltungen am Rumpf und den Tragflächen eines Flug­ zeugs angeordnet werden, um ein anderes sich näherndes Luftfahrzeug zu erkennen. An einem Luftfahrzeug sind mindestens zwei, vorzugsweise drei bis vier Erkennungsvorrichtungen und zugehörige Schaltungen wünschens­ wert. Die niedrigen Kosten und die verhältnismäßige Einfachheit der Schaltung erlauben die Verwendung mehrerer Kanäle selbst an kleinen Luftfahrzeugen.

Für Landfahrzeuge, die Rettungs- und private Fahrzeuge, reicht ein ein­ ziger Detektor vermutlich aus, da die Information über Entfernung und Richtung nicht so kritisch ist wie bei Luftfahrzeugen.

Das halbschematische Schaltbild nach Fig. 2 zeigt eine Schaltung eines optischen Kollisionsverhütungsgerätes. Die Nummern der Teile werden im folgenden als Beispiele für geeignete Komponenten zur Benutzung in der Schaltung des Geräts gegeben.

Die Austastschaltung 12 enthält einen Verstärker A1 mit der Bezeichnung RCA 3140, der so ausgestaltet ist, daß er einen Austastimpuls 13 lie­ fert, der synchronisiert ist mit den Taktimpulsen der Lichtquellen des Wirts-Luftfahrzeugs, wodurch ein Ansprechen auf die eigenen Blinklichter des Wirts-Luftfahrzeugs unterdrückt wird. Der Impuls 13 unterdrückt die Tätigkeit des Lichtimpulsdetektors Q1, der ein Fototransistor FPT 100 sein kann. Die Gleichstromblockierschaltung 14 und das Bandpaßfilter 16 werden durch einen Transistor Q2 (2N2222) und seine zugehörige Schaltung dargestellt, die die Erkennung beschränkt auf ausgewählte pulsierende Lichtquellen. Die Bandpaßfilterung besorgt ein Verstärker A2 mit der Be­ zeichnung RCA 3130 und dessen zugehörige Schaltung, die dafür sorgt, daß alle Frequenzen unterdrückt werden, die nicht in das Durchlaßband des Filters 16 fallen.

Vorzugsweise enthält das Gerät außerdem eine Steuer- und Testeinheit 15 (Fig. 1). Diese Einheit enthält alle Steuerungen und zugehörige Schal­ tungsteile für die vorgesehene Betriebsweise und die Check-out-Prüfung.

Der Schwellenwertdetektor 20, der auch zum Impulszählen dient, enthält eine integrierte Schaltung (IC) 23 Intersil 7208 und eine Uhr 21 Inter­ sil 7207A als Hauptzeitgeber, der von Kondensatoren C1, C2 und einem Kristall QC gesteuert wird. Der Ausgang des Schwellenwertdetektors ist mit einem X-Y-Koordinaten-Wandler zur Darstellung an einer Digitalanzei­ ge verbunden. Wie Fig. 1 zeigt, erhält der X-Y-Koordinaten-Wandler auch Eingangssignale von anderen Detektorkanälen, verarbeitet sie und zeigt die Lage des sich nähernden Ziels oder Luftfahrzeugs an dem Sichtanzei­ gegerät 28 an, der eine übliche Kathoden-LED-Anzeige sein kann.

Claims (10)

1. Optisches Kollisionsverhütungsgerät zur Anbringung auf einem Fahrzeug (Wirtsfahrzeug), mit

• a) einem optischen Detektor, der auf eine optische Lichtquelle anspricht,
• b) einer Erkennungsverhütungsvorrichtung, die die Erkennung von unerwünschten Lichtquellen verhindert,
• c) einer Entfernungsbestimmungsvorrichtung zur Bestimmung der relativen Entfernung einer erkannten Lichtquelle, und
• d) einer Alarmanzeigevorrichtung, die die Erkennung einer Lichtquelle innerhalb einer Entfernung anzeigt, die von der Entfernungsbestimmungsvorrichtung bestimmt worden ist,
  dadurch gekennzeichnet, daß
• e) der optische Detektor nur auf eine erwünschte pulsierende sichtbare Lichtquelle anspricht, die auf einem anderen Fahrzeug angebracht ist,
• f) eine Richtungserkennungsvorrichtung die relative Richtung einer erkannten pulsierenden Lichtquelle bestimmen kann, und
• g) eine Richtungsanzeigevorrichtung die relative Richtung der erkannten pulsierenden Lichtquelle anzeigen kann.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erkennungs­ verhütungsvorrichtung eine Blockierschaltung (14) enthält, die mit dem optischen Detektor verbunden ist und zur Unterdrückung von Sig­ nalen stetiger Lichtquellen dient.

3. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erkennungs­ verhütungsvorrichtung ein Bandpaßfilter (16) enthält, das Ausgangs­ signale der Blockierschaltung (14) erhält, und daß das Bandpaßfil­ ter (16) Signale aller pulsierenden Lichtquellen außerhalb des Durchlaßbandes des Bandpaßfilters unterdrückt.

4. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Erkennungs­ verhütungsvorrichtung einen Pulsbreitendiskriminator (18) enthält, der zur Unterdrückung unerwünschter momentaner, pulsierender Licht­ signale dient.

5. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Entfernungs­ bestimmungsvorrichtung einen Lichtamplitudendetektor enthält, der zur Erkennung dient, ob die Amplitude einer erkannten pulsierenden Lichtquelle ausreicht, um das Alarmanzeigegerät auszulösen.

6. Gerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtampli­ tudendetektor einen Schwellenwertdetektor (20) enthält.

7. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtungser­ kennungsvorrichtung eine Ortserkennungsvorrichtung enthält, die zur Erkennung des Orts der ausgewählten pulsierenden Lichtquelle dient.

8. Gerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ortserken­ nungsvorrichtung folgende Bestandteile hat:

• a) mehrere optische Detektoren,
• b) einen Koordinatenwandler zum Vergleichen und Umwandeln der Ausgangssignale der optischen Detektoren,
• c) ein Anzeigegerät, das das Ausgangssignal des Koordinatenwand­ lers erhält und anzeigt.

9. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der optische De­ tektor einen Fototransistor enthält, der anspricht auf Lichtquellen im sichtbaren Spektrum.

10. Gerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Fototransi­ stor anspricht auf Frequenzen im Bereich von 0,5 bis 1,0 Mikrome­ ter.