WO2009013095A2 - Vorrichtung zum erfassen der windverhältnisse an einem fahrzeug - Google Patents

Vorrichtung zum erfassen der windverhältnisse an einem fahrzeug Download PDF

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    • G01P13/02—Indicating direction only, e.g. by weather vane

Definitions

  • the invention relates to a device for detecting the wind direction and wind speed on a vehicle, which is equipped with at least one heating element and at least two temperature sensors, wherein the temperature sensors are arranged at different positions in the vicinity of the heating element.
  • the device also comprises evaluation means for evaluating the measurement signals of the temperature sensor.
  • Such a wind sensor is described in the publication "A wind sensor with integrated Iow-offset instrumentation amplifier", KAA Makinwa, JH Huijsing, IEEE 2001. It comprises a heating element and several temperature sensors arranged in the vicinity of the heating element The heating element generates a defined heat flow, the deflection of which is then recorded as a temperature gradient with the aid of the temperature sensor.
  • the present invention proposes the use of such a thermal wind sensor on a moving vehicle.
  • information about the current vehicle speed is available to the evaluation means, which information is available during the evaluation of the measurement signals of the vehicle.
  • temperature sensors are taken into account.
  • this information can also be taken from the direction of movement of the vehicle.
  • the device according to the invention can be easily integrated into a vehicle surface and is therefore particularly suitable for detecting wind direction and wind speed on a moving vehicle. Since the wind conditions significantly influence the direction of movement and speed of a vehicle, it is advantageous if the driver and / or a driver information system have access to relevant information. For example, the driver can be warned against strong side winds. In certain wind conditions, measures for vehicle stabilization can then also be automatically initiated or safety systems of the vehicle can be activated.
  • the mode of operation of the device according to the invention essentially depends on the evaluation of the temperature gradient in the surroundings of the heating element. Since the device according to the invention is exposed to environmental influences and, in particular, weather-related temperature influences, it is advantageous if control means are provided for controlling the at least one heating element. In this case, the heating power of the heating element, for example, depending on the outside temperature can be controlled so that a sufficiently large, suitable for evaluation temperature gradient can be detected in the vicinity of the heating element.
  • the heating element and the temperature sensor of the device according to the invention can be integrated together on a micromechanical component or separated, can be realized as individual components.
  • At least one heating element with temperature sensors in the region of the vehicle roof and / or vehicle floor, since in this case with sufficient number and distribution of the temperature sensor air flows from all possible
  • Directions can be detected equally.
  • the heating element can be arranged together with the associated temperature sensors under a common cover of a thermally conductive material, in particular of metal.
  • the heat flow through the cover is detected by the heating element heating the cover locally and the temperature sensors locally detecting the temperature of the cover in the vicinity of the heating element.
  • the evaluation means can be simply connected to a display device for the driver or else to a control device for the automatic activation of a control system or for the automatic triggering of a safety system.
  • Fig. 1 shows a schematic plan view of a vehicle roof with a device according to the invention.
  • FIG. 2 shows a schematic side view of a device according to the invention. - A -
  • FIG. 3 shows a structure diagram for data acquisition and data evaluation
  • the apparatus required for this purpose comprises in the exemplary embodiment illustrated here a heating element 1 and four temperature sensors 2, which are arranged at the same distance from the heating element 1 and distributed uniformly over a corresponding circumference in the vicinity of the heating element 1.
  • the heating element 1 may be, for example, a heated wire or a heating film.
  • a temperature sensor 2 for example, thermoelectric thermopiles or thermal resistors can be used. In this case, the measured voltage is proportional to the temperature at the location of the detector element.
  • the heating element 1 and the temperature sensors 2 are here integrated in the roof 10 of an automobile to measure the direction and speed of the air flowing over the car.
  • the device according to the invention comprises evaluation means, which are not shown in Fig. 1, since they do not necessarily have to be located at the location of the heating element 1 and the temperature sensor 2. According to the invention, these evaluation means have information about the current vehicle speed available, since this information is taken into account in the evaluation of the measurement signals of the temperature sensors 2.
  • the vehicle speed data can be queried, for example via a CAN interface.
  • the evaluation of the measured signals recorded by the temperature sensors 2 is based on the following considerations: If one imagines a windless room, the thermal energy of the heating element 1 spreads evenly in all spatial directions when the vehicle is stationary. In this case, all temperature sensors 2 deliver the same measurement signal. If the vehicle starts to move in a windless environment, then the air always flows over the car roof 10 in accordance with the direction of travel and causes a corresponding heat flow in this direction. The resulting temperature difference between the locations of the temperature sensors 2 in the vicinity of the heating element 1 is proportional to the vehicle speed. When wind occurs, the measuring signals of the temperature sensors 2 reflect a superposition of the vehicle speed and the wind speed. Therefore, the actual wind conditions, ie the direction and strength of the wind on a moving vehicle can only be determined if the vehicle speed is taken into account in the evaluation of the measurement signals of the temperature sensor 2.
  • both integrated solutions on a common micromechanical component are possible as well as discrete solutions in which the heating element and the temperature sensor are implemented as individual components.
  • the only condition is that a measurable heat flow between the heating element and the temperature sensors can occur.
  • FIG. 2 An installation variant is shown in FIG. 2.
  • the heating element 1 and the temperature sensor 2 are arranged under a common cover 3 made of a thermally conductive material, for example of metal.
  • the heating element 1 heats the cover 3 locally.
  • the resulting heat flow in the cover 3 is deflected by the air flowing over the cover 3 11, so that between the locations of the cover 3, where the temperature sensor 2 are located, a temperature difference arises, which is detected by the temperature sensors 2.
  • the measuring signals of the temperature sensors of a device according to the invention can be evaluated, for example, with the aid of the circuit principle illustrated in FIG. 3.
  • the device comprises four temperature sensors 2, whose measuring signals are each pre-amplified by means of an amplifier 4 and then converted with an A / D converter 5 into a digital signal.
  • the resulting digital measurement signals are then fed to a microcontroller 6, where they are evaluated taking into account the vehicle speed, which is queried via a CAN interface 7.
  • the microcontroller 6 can also take over the control of the heating element, which is not shown here.

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Abstract

Mit der vorliegenden Erfindung wird der Einsatz eines thermischen Windsensors mit mindestens einem Heizelement (1), mit mindestens zwei Temperaturfühlern (2), die an unterschiedlichen Positionen in der Umgebung des Heizelements (1) angeordnet sind, und mit Auswertemitteln (6) zum Auswerten der Messsignale der Temperaturfühler (2) an einem bewegten Fahrzeug vorgeschlagen. Erfindungsgemäß stehen den Auswertemitteln (6) dieser Sensorvorrichtung Informationen über die aktuelle Fahrzeuggeschwindigkeit zur Verfügung und werden bei der Auswertung der Messsignale der Temperaturfühler (2) berücksichtigt.

Description

Beschreibung
Titel
Vorrichtung zum Erfassen der Windverhältnisse an einem Fahrzeug
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erfassen der Windrichtung und Windgeschwindigkeit an einem Fahrzeug, die mit mindestens einem Heizelement und mindestens zwei Temperaturfühlern ausgestattet ist, wobei die Temperaturfühler an unterschiedlichen Positionen in der Umgebung des Heizelements angeordnet sind. Außerdem umfasst die Vorrichtung noch Auswertemittel zum Auswerten der Messsignale der Temperaturfühler.
In der Veröffentlichung „A wind sensor with an integrated Iow-offset instrumentation ampli- fier", K. A. A. Makinwa, J. H. Huijsing, IEEE 2001 wird ein derartiger Windsensor beschrie- ben. Er umfasst ein Heizelement und mehrere Temperaturfühler, die in der Umgebung des Heizelements angeordnet sind. Mit dem Heizelement wird ein definierter Wärmestrom erzeugt, dessen Ablenkung dann mit Hilfe der Temperaturfühler als Temperaturgradient erfasst wird. Durch Auswertung dieses Temperaturgradienten lassen sich Windrichtung und Windgeschwindigkeit einfach bestimmen.
Offenbarung der Erfindung
Mit der vorliegenden Erfindung wird der Einsatz eines solchen thermischen Windsensors an einem bewegten Fahrzeug vorgeschlagen.
Dazu stehen den Auswertemitteln erfindungsgemäß Informationen über die aktuelle Fahrzeuggeschwindigkeit zur Verfügung, die bei der Auswertung der Messsignale der Tempe- raturfühler berücksichtigt werden. Vorteilhafterweise lässt sich diesen Informationen auch die Bewegungsrichtung des Fahrzeugs entnehmen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung lässt sich einfach in eine Fahrzeugoberfläche integrie- ren und eignet sich deshalb besonders gut zum Erfassen von Windrichtung und Windgeschwindigkeit an einem bewegten Fahrzeug. Da die Windverhältnisse die Bewegungsrichtung und -geschwindigkeit eines Fahrzeugs wesentlich beeinflussen, ist es von Vorteil, wenn dem Fahrer und/oder einem Fahrerinformationssystem diesbezügliche Informationen zur Verfügung stehen. So kann der Fahrer beispielsweise vor starkem Seitenwind gewarnt werden. Bei bestimmten Windverhältnissen können dann auch automatisch Maßnahmen zur Fahrzeugstabilisierung eingeleitet werden oder Sicherheitssysteme des Fahrzeugs aktiviert werden.
Wie bereits erwähnt, hängt die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung we- sentlich von der Auswertung des Temperaturgradienten in der Umgebung des Heizelements ab. Da die erfindungsgemäße Vorrichtung bestimmungsgemäß Umwelteinflüssen und insbesondere wetterbedingten Temperatureinflüssen ausgesetzt ist, ist es von Vorteil, wenn Steuermittel zum Ansteuern des mindestens einen Heizelements vorgesehen sind. In diesem Fall kann die Heizleistung des Heizelements beispielsweise in Abhängigkeit von der Außentemperatur so geregelt werden, dass ein hinreichend großer, zur Auswertung geeigneter Temperaturgradient in der Umgebung des Heizelements erfasst werden kann.
Je nach Einsatzort und dem zur Verfügung stehenden Platz können das Heizelement und die Temperaturfühler der erfindungsgemäßen Vorrichtung zusammen auf einem mikromechanischen Bauelement integriert sein oder auch getrennt, als Einzelbauelemente realisiert sein.
Von besonderem Vorteil ist es, mindestens ein Heizelement mit Temperaturfühlern im Bereich des Fahrzeugdachs und/oder Fahrzeugbodens anzuordnen, da in diesem Fall bei hinreichender Anzahl und Verteilung der Temperaturfühler Luftströme aus allen möglichen
Richtungen gleichermaßen erfasst werden können. Je nach Fahrzeuggröße und - geometrie kann es aber auch von Vorteil sein, mehrere Messgruppen mit mindestens einem Heizelement und mindestens zwei Temperaturfühlern vorzusehen und diese über die Außenfläche des Fahrzeugs verteilt anzuordnen.
Um die erfindungsgemäße Vorrichtung gegen mechanische Einflüsse zu schützen, denen sie an der Außenseite eines Fahrzeugs ausgesetzt ist, kann das Heizelement zusammen mit den zugeordneten Temperaturfühlern unter einer gemeinsamen Abdeckung aus einem wärmeleitenden Material, insbesondere aus Metall, angeordnet werden. In diesem Fall wird der Wärmefluss durch die Abdeckung erfasst, indem das Heizelement die Abde- ckung lokal erwärmt und die Temperaturfühler die Temperatur der Abdeckung in der Umgebung des Heizelements jeweils lokal erfassen.
Zur Nutzung der mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung gewonnenen Informationen können die Auswertemittel einfach an eine Anzeigeeinrichtung für den Fahrer ange- schlössen sein oder auch an eine Steuereinrichtung zum automatischen Aktivieren eines Steuersystems oder zum automatischen Auslösen eines Sicherheitssystems.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Wie bereits voranstehend erörtert, gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird einerseits auf die dem unabhängigen Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche und andererseits auf die nachfolgende Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen verwiesen.
Fig. 1 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein Fahrzeugdach mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Fig. 2 zeigt eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrich- tung. - A -
Fig. 3 zeigt ein Strukturdiagramm zur Datenerfassung und Datenauswertung mit
Hilfe einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Ausführungsformen der Erfindung
Fig. 1 veranschaulicht die der Erfindung zugrunde liegende Idee, die Windverhältnisse an einem bewegten Fahrzeug nach dem Messprinzip eines thermischen Massenflusssensors zu bestimmen. Die dazu erforderliche Vorrichtung umfasst im hier dargestellten Ausführungsbeispiel ein Heizelement 1 und vier Temperaturfühler 2, die in gleichem Abstand vom Heizelement 1 und gleichmäßig über einen entsprechenden Kreisumfang verteilt in der Umgebung des Heizelements 1 angeordnet sind. Bei dem Heizelement 1 kann es sich beispielsweise um einen beheizten Draht oder um einen Heizfilm handeln. Als Temperaturfühler 2 können beispielsweise thermoelektrische Thermopiles oder Thermowiderstän- de eingesetzt werden. In diesem Fall ist die gemessene Spannung proportional zur Tem- peratur am Ort des Detektorelements. Das Heizelement 1 und die Temperaturfühler 2 sind hier in das Dach 10 eines Automobils integriert, um Richtung und Geschwindigkeit der über das Auto strömenden Luft zu messen. Der aus den Windverhältnissen resultierende Luftstrom ist in Form des Pfeils 11 dargestellt. Die thermische Energie des Heizelements 1 wird durch den Luftstrom 11 aus der beheizten Zone abgeführt, so dass sich zwischen den Temperaturfühlern 2 in der Umgebung des Heizelements 1 eine Temperaturdifferenz einstellt, die proportional zum Massenstrom 11 ist. Zum Auswerten der Messsignale der Temperaturfühler 2 umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung Auswertemittel, die in Fig. 1 nicht dargestellt sind, da sie sich nicht zwangsläufig am Ort des Heizelements 1 und der Temperaturfühler 2 befinden müssen. Erfindungsgemäß stehen diesen Auswertemitteln Informationen über die aktuelle Fahrzeuggeschwindigkeit zur Verfügung, da diese Informationen bei der Auswertung der Messsignale der Temperaturfühler 2 berücksichtigt werden. Die Fahrzeuggeschwindigkeitsdaten können beispielsweise über eine CAN-Schnittstelle abgefragt werden.
Die Auswertung der von den Temperaturfühlern 2 erfassten Messsignale beruht auf folgenden Überlegungen: Stellt man sich einen windstillen Raum vor, so breitet sich die thermische Energie des Heizelements 1 bei stillstehendem Fahrzeug in alle Raumrichtungen gleichmäßig aus. In diesem Fall liefern alle Temperaturfühler 2 das gleiche Messsignal. Setzt sich das Fahrzeug in einer windstillen Umgebung in Bewegung, so strömt die Luft immer entsprechend der Fahrtrichtung über das Autodach 10 und bedingt einen entsprechenden Wärmestrom in dieser Richtung. Die daraus resultierende Temperaturdifferenz zwischen den Orten der Temperaturfühler 2 in der Umgebung des Heizelements 1 ist proportional zur Fahrzeuggeschwindigkeit. Beim Auftreten von Wind geben die Messsignale der Temperaturfühler 2 eine Überlagerung der Fahrzeuggeschwindigkeit und der Windgeschwindigkeit wieder. Deshalb können die tatsächlichen Windverhältnisse, d.h. Richtung und Stärke des Windes, an einem bewegten Fahrzeug nur dann bestimmt werden, wenn bei der Auswertung der Messsignale der Temperaturfühler 2 die Fahrzeuggeschwindigkeit berücksichtigt wird.
Andere Umwelteinflüsse, wie z.B. Regen oder Sonneneinstrahlung, wirken sich in der Regel auf alle Temperaturfühler 2 gleichermaßen aus und müssen deshalb bei der Auswertung der Messsignale nicht gesondert berücksichtigt werden. In diesem Zusammenhang kann es jedoch von Vorteil sein, die Heizleistung des Heizelements 1 so zu regeln, dass ein messbarer Temperaturgradient zwischen den Temperaturfühlern auftritt bzw. zu erwarten ist.
Für die Realisierung und den Einbau des Heizelements 1 und der Temperaturfühler 2 an einem Fahrzeugdach 10 sind sowohl integrierte Lösungen auf einem gemeinsamen mikromechanischen Bauelement möglich als auch diskrete Lösungen, bei denen das Heizelement und die Temperaturfühler als Einzelbauelemente realisiert sind. Bedingung ist lediglich, dass ein messbarer Wärmefluss zwischen dem Heizelement und den Temperaturfühlern entstehen kann.
Eine Einbauvariante ist in Fig. 2 dargestellt. Hier sind das Heizelement 1 und die Temperaturfühler 2 unter einer gemeinsamen Abdeckung 3 aus einem wärmeleitenden Material, beispielsweise aus Metall, angeordnet. Das Heizelement 1 erwärmt die Abdeckung 3 lokal. Der daraus resultierende Wärmestrom in der Abdeckung 3 wird von der die Abdeckung 3 überströmenden Luft 11 abgelenkt, so dass zwischen den Orten der Abdeckung 3, an denen sich die Temperaturfühler 2 befinden, eine Temperaturdifferenz entsteht, die von den Temperaturfühlern 2 erfasst wird.
Die Messsignale der Temperaturfühler einer erfindungsgemäßen Vorrichtung können bei- spielsweise mit Hilfe des in Fig. 3 dargestellten Schaltungsprinzips ausgewertet werden. Im hier dargestellten Fall umfasst die Vorrichtung vier Temperaturfühler 2, deren Messsignale jeweils mit Hilfe eines Verstärkers 4 vorverstärkt und dann mit einem A/D-Wandler 5 in ein digitales Signal umgewandelt werden. Die resultierenden digitalen Messsignale werden dann einem Mikrokontroller 6 zugeführt, wo sie unter Berücksichtigung der Fahr- Zeuggeschwindigkeit, die über eine CAN-Schnittstelle 7 abgefragt wird, ausgewertet werden. Der Mikrokontroller 6 kann zusätzlich auch die Ansteuerung des Heizelements übernehmen, was hier allerdings nicht dargestellt ist.

Claims

Ansprüche
1. Vorrichtung zum Erfassen der Windrichtung und Windgeschwindigkeit an einem Fahrzeug, mit mindestens einem Heizelement (1), - mit mindestens zwei Temperaturfühlern (2), die an unterschiedlichen Positionen in der Umgebung des Heizelements (1) angeordnet sind, und mit Auswertemitteln (6) zum Auswerten der Messsignale der Temperaturfühler (2), d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass den Auswertemitteln (6) Informationen über die aktuelle Fahrzeuggeschwindigkeit zur Verfügung stehen, die bei der Aus- wertung der Messsignale der Temperaturfühler (2) berücksichtigt werden.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Informationen über die aktuelle Fahrzeuggeschwindigkeit Richtungsinformationen umfassen.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Steuermittel zum Ansteuern des mindestens einen Heizelements vorgesehen sind.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement und die Temperaturfühler auf einem mikromechanischen Bauelement integriert sind.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (1) und die Temperaturfühler (2) als Einzelbauelemente realisiert sind.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Heizelement (1) und mindestens zwei Temperaturfühler (2) im Bereich des Fahrzeugdachs (10) und/oder Fahrzeugbodens angeordnet sind.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, umfassend mehrere Messgruppen mit mindestens einem Heizelement und mindestens zwei Temperaturfühlern, dadurch gekennzeichnet, dass die Messgruppen über die Außenfläche des Fahrzeugs verteilt angeordnet sind.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Heizelement (1) und mindestens zwei Temperaturfühler (2) unter einer gemeinsamen Abdeckung (3) aus einem wärmeleitenden Material, insbesondere aus Metall, angeordnet sind, so dass das Heizelement (1) die Abdeckung (3) lokal erwärmt und die Temperaturfühler (2) die Temperatur der Abdeckung (3) lokal erfassen.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertemittel an eine Anzeigeeinrichtung und/oder eine Steuereinrichtung angeschlossen sind zum Anzeigen der ermittelten Windinformation und/oder zum Auslösen von Steuersystem und/oder Sicherheitssystemen.
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