Bundeswettbewerb 1993 Jugend forscht

Thema: Selbstregelungs Intervallsteuerung für Scheibenwischer

Von: Thomas Wedemeyer & Carsten Pieper

Fachgebiet: Arbeitswelt

Inhaltsverzeichnis
0. Kurzfassung
1. Einleitung
1.1 Die Idee
1.2 Zielsetzung
2. Das Messverfahren
2.1 Die Wahl des Messverfahrens
2.2 Die physikalischen Grundlagen
3. Das Intervallsteuergerät
3.1 Beschreibung der Schaltung
3.2 Einbau des Systems in ein Kraftfahrzeug
4. Erprobung des Systems
5. Schlussbetrachtung
6. Literaturverzeichnis
7. Danksagungen


0. Kurzfassung:

Ziel dieser Arbeit war es, einen Sensor mit Steuergerät für Scheibenwischer zu entwickeln. Dieses Steuergerät hat die Aufgabe, den Wischvorgang automatisch zu starten, wenn sich genügend Wasser auf der Scheibe befindet, und so den Fahrer zu entlasten. Für dieses Steuergerät wurde ein Sensor entwickelt, der in der Lage ist, festzustellen, ob sich Wassertropfen auf der Scheibe befinden.

Dieser Sensor arbeitet mit dem Prinzip der Reflexion. Im Inneren des Wagens ist ein modulierter Lichtsender angebracht, der im infraroten Lichtbereich strahlt und dessen Licht zu einem Teil durch die Wassertropfen auf der Scheibe reflektiert wird. Die Intensität des reflektierten Lichts wird von einem Fototransistor gemessen und durch die Elektronik verstärkt. Liegt die Intensität des reflektierten Lichts über einem Grenzwert, schaltet die Elektronik den Scheibenwischer ein.

Angebracht wird der Sensorteil, zu dem der Sender und Empfänger gehören, an dem Rückspiegel des Fahrzeugs. Hier lässt sich die Sensorplatine einfach befestigen. Ein anderer Ort, der sehr gut zur Anbringung des Sensorteils geeignet wäre, ist die Rückseite der Instrumententafel auf dem Armaturenbrett. Die Elektronik, die das Signal verstärkt und den Scheibenwischer aktiviert, ist so klein, dass sie z.B. im Handschuhfach eingebaut werden kann.

Dieses von uns entwickelte Steuergerät für Scheibenwischer ist relativ einfach aufgebaut. Dadurch ist die Nachrüstung fast aller Fahrzeugtypen damit prinzipiell möglich.

1. Einleitung

1.1 Die Idee

Die aktuellen Unfallstatistiken zeigen, dass ein großer Teil der im Strassenverkehr vorkommenden Unfälle durch Unmerksamkeit entstehen. Es liegt also nahe, die Aufmerksamkeit zu steigern, indem Steuerungsaufgaben im Fahrzeug automatisch gelöst werden.

Diese Idee bringt dem Autofahrer einerseits den Nutzen, dass ihm Arbeit abgenommen wird. Andererseits können mit einer Intervallschaltung Unfälle vermieden werden, die eine Erhöhung der Kfz-Versicherungsprämie zur Folge haben. Schließlich ist diese Beitragserhöhung häufig immens, selbst wenn es sich nur um geringe Schäden handelt. Wer einen besseren Überblick über die Prämien der einzelnen Anbieter erhalten möchte, kann im Internet die Kfz Versicherung vergleichen.

Da bei leichtem Regen vom Fahrer erhebliche Zeit und Konzentration verwandt wird, den Arbeitstakt des Scheibenwischers dem Regen anzupassen, wäre hier eine Automatisierung nicht nur sinnvoll, sondern trüge zur Verkehrssicherheit bei. Bei gleichmässig starkem Regen muss der Intervallschalter des Scheibenwischers nur einmal auf die gewünschte Stufe geschaltet werden und es ist für klare Sicht gesorgt. Doch was geschieht bei sehr geringen oder ständig wechselnden Regenmengen? Bei herkömmlichen Scheibenwischern muss in diesen Fällen der Arbeitsrhythmus der Scheibenwischer häufig noch nachgeregelt werden. Dies ist nötig, um einerseits die Wischerblätter nicht übermässig zu belasten und andererseits klare Sicht zu haben. Unser Lösungsvorschlag ist eine aktive Scheibenwischersteuerung.

Diese Automatik sollte in der Lage sein, die Abstände der Wischperioden in Abhängigkeit der Regenmenge zu steuern. Der Fahrer wird entlastet, weil das ständige Nachsteuern des Scheibenwischers von Hand entfällt. Außerdem wird dadurch unnötiger Verschleiß vermieden. Noch wichtiger ist, dass der zweckmäßig gestaltete Einsatz des Scheibenwischers die Forderung nach klarer Sicht realisiert und somit das Unfallrisiko merklich senkt. Die 'dynamische', also bedarfsgerechte Steuerung des Scheibenwischers, ist an erster Stelle ein nicht zu unterschätzender Beitrag zur Verkehrssicherheit.

 

1.2 Zielsetzung

Unser Ziel ist es, ein universelles, nachrüstbares Gerät für jedes Kfz zu entwickeln. Es soll die Regenmenge auf der Windschutzscheibe bei allen Wetterbedingungen in Informationen umwandeln können, mit deren Hilfe der Arbeitstakt der Wischerblätter automatisch gesteuert wird. Ein unproblematischer Anschluss an die Autoelektronik, niedriger Preis und geringer Platzbedarf sind weitere wichtige Ziele.

2. Das Messverfahren

2.1 Die Wahl des Messverfahrens

Problematisch bei einem Regelungssystem für Scheibenwischer ist die Messmethode, die es der Messelektronik erlaubt, festzustellen, ob die Scheibe nass oder trocken ist. Leider ist es für diese Anwendung nicht möglich, einfache Sensoren zu benutzen, die z.B. nach dem Prinzip der Widerstandsmessung arbeiten. Bei dieser Methode würde es sehr schwierig sein, ohne die Sicht durch die Scheibe zu erschweren, eine quantitative Messung der Regentropfen auf einer größeren Fläche durchzuführen. Zusätzliche Probleme treten auf, wenn Wasser mit unterschiedlicher Leitfähigkeit auf die Scheibe fällt ( "Saurer Regen" ). Eine genaue Kallibrierung ist bei diesem System nicht möglich, denn es verändert sich in diesen Fällen ständig das Verhältnis zwischen Regenmenge und Häufigkeit des Wischvorganges. Außerdem muss aufgrund der Regenverschmutzung ständig mit der Beschädigung der Sensoren, z.B. durch Korrosion gerechnet werden.

Eine andere Möglichkeit, die Anzahl der Tropfen auf der Scheibe zu bestimmen, ist die Messung der Reflexion von Licht an der Windschutzscheibe. Wenn ein Lichtstrahl durch die Scheibe auf einen Wassertropfen trifft, wird er zu einem Teil wieder zurückreflektiert. Je mehr Wassertropfen sich auf dieser Fläche befinden, desto größer ist die Intensität des reflektierten Lichts. Weitere Abhängigkeiten liefert die Tropfengröße.

Diese Methode erlaubt es, mit sehr wenig Aufwand ein System, das fast unsichtbar für die Fahrgäste ist, aufzubauen. Durch die Verwendung einer Lichtquelle, die im infraroten Bereich arbeitet, wird ausgeschlossen, dass der Fahrer durch das reflektierte Licht geblendet wird. Dieses führt zu einer Verminderung des Unfallrisikos. Als Empfänger bietet sich ein Phototransistor an, der in Abhängigkeit des reflektierten Infrarotlichtes den Kollektorstrom steuert. Mit Hilfe dieses Stromes ist es möglich, eine Elektronik zu steuern, die die Abstände der einzelnen Wischintervalle bestimmt. Diese Methode hat den Vorteil, dass man wenig Platz für den Sensorteil, der aus einer Infrarotdiode und dem Phototransistor besteht, benötigt. Man kann die zur Auswertung notwendige Steuerungsplatine getrennt von der Sensorik unter der Innenverkleidung anbringen, so dass es den Insassen nur an Hand zweier kleiner Bauelemente möglich ist, festzustellen, ob eine aktive Intervallsteuerung installiert ist.

2.2 Die physikalischen Grundlagen

Die physikalischen Grundlagen dieses Messverfahren beschränken sich auf die Reflexionsgesetze. Die Infrarotdiode erzeugt ein unsichtbares Licht mit einer Wellenlänge von 800nm und sendet es in einem Abstrahlwinkel von 110ø. Ein Teil des Lichts wird direkt auf der Oberfläche der Windschutzscheibe sofort reflektiert.

Ein anderer Teil wird in der Scheibe nach den Gesetzen der Lichtbrechung gebrochen. Beim Übergang in ein optisch dichteres Medium wird der Lichtstrahl zum Einfallslot hin gebrochen. Beim Übergang in ein optisch dünneres Medium wird der Lichtstrahl von Einfallslot weg gebrochen. Bei trockener Scheibe wird das Licht nur mit einer leichten Parallelverschiebung durch das Glas gelangen. Der Einfallswinkel des Lichts ist gleich dem Ausgangswinkel. Dieses trifft allerdings nicht zu, wenn die Innen- und Außenfläche der Scheibe nicht parallel liegen. Da die Krümmung der Windschutzscheibe gering ist, kann sie aber vernachlässigt werden.

Die vom Sensor gemessene Intensität des reflektierten Lichts reicht bei trockener Scheibe nicht aus, um den Schaltpunkt unserer Elektronik zu überschreiten. Wenn sich dagegen Wasser auf der Scheibe befindet, wirkt die nach außen zeigende Fläche des Wassertropfens wie ein Hohlspiegel, so dass ein größerer Teil des Lichts wieder durch die Windschutzscheibe in den Innenraum reflektiert wird. Dabei gelten selbstverständlich wieder die gleichen Gesetze der Lichtbrechung und der Teilreflektion. Die Menge des reflektierten Lichts ist jetzt größer. Die von Fototransistor gemessene Intensität liegt jetzt über dem vergebenen Schaltpunkt.

3.0 Das Intervallsteuergerät

3.1 Beschreibung der Schaltung

(Der Schaltplan des Intervallsteuerungsgeräts kann hier als PDF-File heruntergeladen werden)

Bei dem gewählten Messverfahren sollen nur die reflektierten Lichtstrahlen gemessen werden. Da das Gerät aber auch bei Tage funktionieren muss, ist es nötig, die Schaltung so aufzubauen, dass das Tageslicht nicht auf den Steuerungsprozeß Einfluss nimmt. Um das Licht der Umgebung von dem reflektierten Licht unterscheiden zu können, wird die Infrarotlichtquelle mit einer festen Frequenz moduliert. Dadurch wird eine Unterscheidung das Nutz- und Umgebungssignals (Grundhelligkeit) möglich, weil diese Modulation im Empfänger in Wechselspannung umgewandelt wird, die durch einem Filter von dem durch das Umlicht erzeugten Fotostrom getrennt werden kann. Allerdings kann es bei einer modulierten Lichtquelle immer noch passieren, dass der Fototransitor durchschaltet, obwohl das Licht des Senders nicht reflektiert wird, weil das Umgebungslicht sehr breitbandig moduliert ist. Ein solcher Fall könnte z.B. bei Nacht durch die Beleuchtung der Strassenlaternen eintreten. Die Laternen werden durch Wechselspannung, die bereits die Elektronik zum Durchschalten bringen kann.

Um auch so einen Fall ausschließen zu können, arbeitet der Empfänger mit Synchrondemodulation. Synchrondemodulation bedeutet, dass die Frequenz des Senders direkt über eine Verbindung als Referenzfrequenz für den Empfänger benutzt wird. Durch diese Referenzverbindung wird ein Frequenz- und Phasenvergleich des empfangenen Signals mit dem tatsächlichen im Sender benutzten Modulationssignal möglich. Durch dieses Verfahren ist die Trennschärfe des Empfängers sehr hoch, wodurch umlichtbedingte Rausch- und Brummstörungen weitgehend ausgeschaltet werden können.

Als Lichtquelle im Inneren des Wagens wird eine modulierte Leuchtdiode eingesetzt, die ihr Licht im infraroten Bereich emittiert. Durch die Verwendung dieses für den Menschen nicht sichtbaren Lichtbereichs, ist sichergestellt, dass die Lichtimpulse den Fahrer nicht stören. Besonders bei Nachtfahrten könnte es sonst passieren, dass der Fahrer des Wagens durch eine sichtbare Lichtquelle irritiert wird, weil ein Teil des Lichts den Fahrer blendet.

Der Aufbau der Senders ist sehr einfach. Der größte Teil der Schaltung ist in einem integrierten Schaltkreis vom Typ NE555 untergebracht, der als Multivibrator benutzt wird. Die übrigen Bauteile legen den Frequenzbereich, mit dem der Sender arbeitet, fest und sorgen für eine ausreichende Entstörung.

Der Empfänger besteht aus einem Fototransitor, dem eine Verstärkerstufe mit einem integrierten Operationsverstärker nachgeschaltet ist. Der zweite Operationsverstärker ist als Komparator geschaltet, dessen Empfindlichkeit durch einen Spindelpoti eingestellt werden wird. Die Empfindlichkeit des Komparators wird so eingestellt, dass er erst bei einer Spannung durchschaltet, die höher ist als die des an der Scheibe reflektierten Lichts. Das Ausgangssignal des Komparators wird an einen Schalttransistor geführt, der das Signal verstärkt, um ein Relais schalten zu können. Wenn dieses Relais durchschaltet, fängt der Scheibenwischer an zu arbeiten.

Zusätzlich ist in dem Gerät noch eine Spannungsstabilisierung mit einer Entstörungsdrossel untergebracht, die die 12V Bordspannung auf 9V herunterregelt. Dadurch werden gleichzeitig Störungen in der Bordspannung, die z.B. durch die Zündung verursacht werden könnten, herausgefiltert. Untergebracht wird das Steuergerät in einem kleinen geerdeten Metallgehäuse, in dem der Sender und Empfänger abgeschirmt voneinander eingebaut sind. Die Infrarotleuchtdiode und der Fototransistor werden getrennt von der Elektronik angebracht. Alle drei Bestandteile sind durch abgeschirmte Kabel verbunden.

3.2 Einbau des Systems in ein Kraftfahrzeug

Wichtig für die Funktion dieses Scheibenwischersystems ist die Anordnung der Sensoren im Innenraum eines Kraftfahrzeugs. Auf jeden Fall müssen die Sensoren so angebracht sein, dass die abzutastende Fläche von den Scheibenwischern abgewischt werden kann. Weiterhin dürfen die Sensoren nicht die Sicht nach außen behindern. Durch eine geschickte Wahl des Anbringungsortes, ist es auch möglich, Störeinflüsse durch beschlagene Scheiben und verqualmter Luft zu reduzieren. Damit das System auch bei Rauchern funktioniert, empfiehlt es sich, einen Ort zu wählen, an dem häufig frische Luft vorbeizieht. Da bei vielen Fahrzeugen die Windschutzscheibe sehr weit heruntergezogen ist, besteht die Möglichkeit, die Sensoren auf das Armaturenbrett in der Nähe der Lüftungschlitze zu befestigen. Dieser Ort hat noch weitere Vorteile. So verschwindet an diesen Stellen zuerst der innere Beschlag von der Windschutzscheibe und außerdem sind bei vielen Autos diese Stellen der Scheibe nicht besonders gut einsichtig, weil sie durch Armaturen und Lenkrad verdeckt werden. Die Beeinträchtigung der Sicht ist sehr gering, wenn die Sensoren an den genannten Stellen befestigt werden.

Die Elektronik kann man besten unter der Verkleidung im Innenraum untergebracht werden. An diesen Orten ist es im Vergleich zum Motorraum wesentlich einfacher, eine nachträgliche Veränderung vorzunehmen. Ein Empfindlichkeitsabgleich der ist über ein Spindelpoti möglich, das leicht zugänglich an dem Armaturenbrett angebracht ist. Da heutzutage in den meisten Kraftfahrzeugen die Sicherungen im Fahrzeuginneren liegen, ist es ohne weiters möglich, den benötigten Strom von dort abzugreifen. Eventuell könnte, eine eine eigene Sicherung für die Steuerung benutzt werden, um sich somit vor größeren Defekten zu sichern. Als Schalter ist die Intervallstufe des herkömmlichen Scheibenwischers gut geeignet. Auf diese Weise kann die Schaltung in die normale Anordnung der Armaturen in einem Auto integriert werden, und wenn doch ein Defekt der Schaltung auftritt ist es sichergestellt, dass die herkömmlichen Wischarten benutzt werden können.

Ein Problem kann bei alten Scheibenwischern, die noch keine automatische Endabschaltung haben, auftreten. Ein Abschalten der Spannung bedeutet bei ihnen, dass die Wischerblätter auf der Scheibe stehenbleiben könnten. In diesem Fall muss die Elektronik auf einfacher Weise erweitert werden, so dass sie die Position der Wischerblätter erkennt und sie gegebenenfalls in die Ausgangsposition zurückfahren läßt.

4. Erprobung des Systems

Die Erprobungsphase, die von November bis Anfang Februar lief, sollte dazu dienen, festzustellen, ob das Steuergerät und die Sensorik wirklich für den täglichen Einsatz im Strassenverkehr geeignet sind. Außerdem diente die Erprobungsphase auch dazu, eventuell vorhandene Schwächen oder Fehler im Steuergerät und seine Funktionssicherheit über einen längeren Zeitraum auszutesten.

Eingebaut wurde das Steuergerät in einen Mercedes Diesel 123. Die Sensorplatine wurde dafür provisorisch mit Klebeband auf der Rückseite der Instrumententafel auf dem Armaturenbrett angebracht. Der Einbau des Steuergeräts erfolgte im Handschuhfach auf dieselbe Weise. über den Zigarettenanzünder erfolgte die Spannungsversorgung des Geräts. Alle Komponenten der Scheibenwischersteuerung wurden über verschiedene Stecker miteinander verbunden, um eventuell notwendige Änderungen der Elektronik durchführen zu können, ohne extra die ganze Steuerung auszubauen.

Außerdem wurde darauf geachtet, dass obwohl die Elektronik eingebaut ist, trotzdem der Schalter, mit dem der Wischvorgang gestartet wird, weiterhin ordnungsgemäß funktioniert. Damit war gewährleistet, dass bei einem Versagen der Steuerung der Fahrer trotzdem nicht blind fahren muss. Dies wurde dadurch sichergestellt, dass das Relais des Steuergeräts parallel zum Intervallschalter angeschlossen war, also den Schalter nur überbrückt.

Nach dem Einbau wurde das Steuergerät erstmal grob justiert. Die Feinjustierung geschah dann nach und nach während des Testbetriebs bis das Steuergerät zuverlässig arbeitete. Nach zwei Tagen mit regnerischem Wetter war die Feinjustierung abgeschlossen. Danach war der Schaltpunkt der Steuerung so eingestellt, dass er zuverlässig auf Regen reagierte.

Allerdings stellten sich schon bald ein paar Probleme mit der Steuerung ein. Zum einen kann die Steuerung nicht unterscheiden, ob sich das Wasser auf der Innenseite oder der Außenseite der Scheibe befindet. Ist die Scheibe von innen beschlagen, kann es vorkommen, dass der Scheibenwischer zu arbeiten beginnt. Nachdem das Lüftungsgebläse kurz eingeschaltet wird, arbeitet die Steuerung dann wieder zuverlässig.

Ein anderes Problem ist, dass die zur Zeit verwendete Schaltung immer noch abhängig ist vom Licht der Umgebung. Dadurch musste man die Schaltung für verschiedene Lichtverhältnisse immer wieder nachjustieren. Nachdem der Empfänger mit einem Infrarotfilter abgeschirmt wurde, funktionierte die Schaltung schon bei einem größeren Helligkeitsbereich. Leider konnte der Einfluss des Umlichts nicht so reduziert werden, dass das Steuergerät über den ganzen Helligkeitsbereich arbeitet. Zur Zeit wird die Schaltung so modifiziert, dass der Schaltpunkt über einen zweiten Fototransistor, der das Umlicht misst, automatisch angepasst wird. Es ist anzunehmen, dass so der Spindelpoti überflüssig wird.

Später, als die Temperaturen unter null Grad Celsius gefallen waren, stellten sich dann auch heraus, dass der Scheibenwischer auch auf vereiste Windschutzscheiben reagiert.

Insgesamt gesehen verlief die Erprobungsphase erfolgreich, obwohl der Sensor auch auf Bedingungen reagierte, bei denen er eigentlich nicht den Wischvorgang starten soll. Allerdings lassen sich diese Störeinflüsse noch durch eine Verfeinerung der Elektronik und andere Massnahmen verringern. Es läßt sich z.B. das Beschlagen der Windschutzscheibe durch sogenannte Antibeschlagtücher verringern.

5. Schlußbetrachtung, Kritik und Ausblick

Uns ist es gelungen, ein einfaches und preisgünstiges Steuerungssystem aufzubauen, das in der Lage ist, die freie Sicht durch Windschutzscheibe über die Messung des reflektierten Lichts in Verbindung mit den herkömmlichen Scheibenwischern sicherzustellen.

Die Elektronik kann ohne große Probleme und Wissen über Autoelektronik nachträglich installiert werden, sollte aber zur Erstausstattung jedes Kfz gehören. Mit diesem Gerät kann das Unfallrisiko wesentlich verringert werden. Kein Autofahrer muss während eines Regenschauers mehr auf die richtige Geschwindigkeit der Intervallschaltung achten. Es genügt, die Schaltung bei Fahrtbeginn zu aktivieren. Ständig wacht dann die Sensorik darüber, dass die Sicht gewährleistet ist.

Eine mögliche Erweiterung des Systems liegt darin, dass man z.B. die Temperatur auf der Windschutzscheibe misst und so feststellen kann, ob ein vorheriges Enteisen notwendig ist. Mit Hilfe eines Mikrocontrollers ist es möglich, den Schaltungsaufwand für weitere Funktionen einzuschränken. Die benötigten Funktionen können dann über ein Programm realisiert werden. Außerdem sind durch den Einsatz von Mikrocontrollern weitere Funktionen möglich. Z.B. ein automatische Reinigung der Scheibe usw...

6. Literaturverzeichnis

Natur & Technik-Physik Gesamtausgabe
Cornelsen-Velhagen & Klasing Verlagsgesellschaft
ISBN 3-464-00082


Taschenbuch der Physik
Verlag Harri Deutsch
ISBN 3-8171-1020-0

Infrarot-Elektronik
Franzis Verlag
ISBN 3-7723-1753-7


Messen und Orten mit Infrarot
Franzis Verlag
ISBN 3-7723-9801-4


7. Danksagungen

Wir danken:
Götz Ilgen
Autohaus Ford Föhrenstraße