Scheibenwischer

Bundeswettbewerb 1993 Jugend forscht

Thema: Selbstregelungs Intervallsteuerung fĂŒr Scheibenwischer

Von: Thomas Wedemeyer & Carsten Pieper

Fachgebiet: Arbeitswelt

0. Kurzfassung:

Ziel dieser Arbeit war es, einen Sensor mit SteuergerĂ€t fĂŒr Scheibenwischer zu entwickeln. Dieses SteuergerĂ€t hat die Aufgabe, den Wischvorgang automatisch zu starten, wenn sich genĂŒgend Wasser auf der Scheibe befindet, und so den Fahrer zu entlasten. FĂŒr dieses SteuergerĂ€t 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 IntensitĂ€t des reflektierten Lichts wird von einem Fototransistor gemessen und durch die Elektronik verstĂ€rkt. Liegt die IntensitĂ€t des reflektierten Lichts ĂŒber einem Grenzwert, schaltet die Elektronik den Scheibenwischer ein.

Angebracht wird der Sensorteil, zu dem der Sender und EmpfĂ€nger gehören, an dem RĂŒckspiegel des Fahrzeugs. Hier lĂ€sst sich die Sensorplatine einfach befestigen. Ein anderer Ort, der sehr gut zur Anbringung des Sensorteils geeignet wĂ€re, ist die RĂŒckseite der Instrumententafel auf dem Armaturenbrett. Die Elektronik, die das Signal verstĂ€rkt und den Scheibenwischer aktiviert, ist so klein, dass sie z.B. im Handschuhfach eingebaut werden kann.

Dieses von uns entwickelte SteuergerĂ€t fĂŒr Scheibenwischer ist relativ einfach aufgebaut. Dadurch ist die NachrĂŒstung fast aller Fahrzeugtypen damit prinzipiell möglich.

1. Einleitung

1.1 Die Idee

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

Da bei leichtem Regen vom Fahrer erhebliche Zeit und Konzentration verwandt wird, den Arbeitstakt des Scheibenwischers dem Regen anzupassen, wĂ€re hier eine Automatisierung nicht nur sinnvoll, sondern trĂŒge zur Verkehrssicherheit bei. Bei gleichmĂ€ssig starkem Regen muss der Intervallschalter des Scheibenwischers nur einmal auf die gewĂŒnschte Stufe geschaltet werden und es ist fĂŒr klare Sicht gesorgt. Doch was geschieht bei sehr geringen oder stĂ€ndig wechselnden Regenmengen? Bei herkömmlichen Scheibenwischern muss in diesen FĂ€llen der Arbeitsrhythmus der Scheibenwischer hĂ€ufig noch nachgeregelt werden. Dies ist nötig, um einerseits die WischerblĂ€tter nicht ĂŒbermĂ€ssig zu belasten und andererseits klare Sicht zu haben. Unser Lösungsvorschlag ist eine aktive Scheibenwischersteuerung.

Diese Automatik sollte in der Lage sein, die AbstĂ€nde der Wischperioden in AbhĂ€ngigkeit der Regenmenge zu steuern. Der Fahrer wird entlastet, weil das stĂ€ndige Nachsteuern des Scheibenwischers von Hand entfĂ€llt. Außerdem wird dadurch unnötiger Verschleiß vermieden. Noch wichtiger ist, dass der zweckmĂ€ĂŸig 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 unterschĂ€tzender Beitrag zur Verkehrssicherheit.

1.2 Zielsetzung

Unser Ziel ist es, ein universelles, nachrĂŒstbares GerĂ€t fĂŒr jedes Kfz zu entwickeln. Es soll die Regenmenge auf der Windschutzscheibe bei allen Wetterbedingungen in Informationen umwandeln können, mit deren Hilfe der Arbeitstakt der WischerblĂ€tter 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 fĂŒr Scheibenwischer ist die Messmethode, die es der Messelektronik erlaubt, festzustellen, ob die Scheibe nass oder trocken ist. Leider ist es fĂŒr diese Anwendung nicht möglich, einfache Sensoren zu benutzen, die z.B. nach dem Prinzip der Widerstandsmessung arbeiten. Bei dieser Methode wĂŒrde es sehr schwierig sein, ohne die Sicht durch die Scheibe zu erschweren, eine quantitative Messung der Regentropfen auf einer grĂ¶ĂŸeren FlĂ€che durchzufĂŒhren. ZusĂ€tzliche Probleme treten auf, wenn Wasser mit unterschiedlicher LeitfĂ€higkeit auf die Scheibe fĂ€llt ( “Saurer Regen” ). Eine genaue Kallibrierung ist bei diesem System nicht möglich, denn es verĂ€ndert sich in diesen FĂ€llen stĂ€ndig das VerhĂ€ltnis zwischen Regenmenge und HĂ€ufigkeit des Wischvorganges. Außerdem muss aufgrund der Regenverschmutzung stĂ€ndig mit der BeschĂ€digung 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 zurĂŒckreflektiert. Je mehr Wassertropfen sich auf dieser FlĂ€che befinden, desto grĂ¶ĂŸer ist die IntensitĂ€t des reflektierten Lichts. Weitere AbhĂ€ngigkeiten liefert die TropfengrĂ¶ĂŸe.

Diese Methode erlaubt es, mit sehr wenig Aufwand ein System, das fast unsichtbar fĂŒr die FahrgĂ€ste ist, aufzubauen. Durch die Verwendung einer Lichtquelle, die im infraroten Bereich arbeitet, wird ausgeschlossen, dass der Fahrer durch das reflektierte Licht geblendet wird. Dieses fĂŒhrt zu einer Verminderung des Unfallrisikos. Als EmpfĂ€nger bietet sich ein Phototransistor an, der in AbhĂ€ngigkeit des reflektierten Infrarotlichtes den Kollektorstrom steuert. Mit Hilfe dieses Stromes ist es möglich, eine Elektronik zu steuern, die die AbstĂ€nde der einzelnen Wischintervalle bestimmt. Diese Methode hat den Vorteil, dass man wenig Platz fĂŒr 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 beschrÀnken sich auf die Reflexionsgesetze. Die Infrarotdiode erzeugt ein unsichtbares Licht mit einer WellenlÀnge von 800nm und sendet es in einem Abstrahlwinkel von 110Þ. Ein Teil des Lichts wird direkt auf der OberflÀche 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 dĂŒnneres 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 AußenflĂ€che der Scheibe nicht parallel liegen. Da die KrĂŒmmung der Windschutzscheibe gering ist, kann sie aber vernachlĂ€ssigt werden.

Die vom Sensor gemessene IntensitĂ€t des reflektierten Lichts reicht bei trockener Scheibe nicht aus, um den Schaltpunkt unserer Elektronik zu ĂŒberschreiten. Wenn sich dagegen Wasser auf der Scheibe befindet, wirkt die nach außen zeigende FlĂ€che des Wassertropfens wie ein Hohlspiegel, so dass ein grĂ¶ĂŸerer Teil des Lichts wieder durch die Windschutzscheibe in den Innenraum reflektiert wird. Dabei gelten selbstverstĂ€ndlich wieder die gleichen Gesetze der Lichtbrechung und der Teilreflektion. Die Menge des reflektierten Lichts ist jetzt grĂ¶ĂŸer. Die von Fototransistor gemessene IntensitĂ€t liegt jetzt ĂŒber dem vergebenen Schaltpunkt.

3.0 Das IntervallsteuergerÀt

3.1 Beschreibung der Schaltung

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

Bei dem gewĂ€hlten Messverfahren sollen nur die reflektierten Lichtstrahlen gemessen werden. Da das GerĂ€t 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 EmpfĂ€nger 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 EmpfĂ€nger mit Synchrondemodulation. Synchrondemodulation bedeutet, dass die Frequenz des Senders direkt ĂŒber eine Verbindung als Referenzfrequenz fĂŒr den EmpfĂ€nger benutzt wird. Durch diese Referenzverbindung wird ein Frequenz- und Phasenvergleich des empfangenen Signals mit dem tatsĂ€chlichen im Sender benutzten Modulationssignal möglich. Durch dieses Verfahren ist die TrennschĂ€rfe des EmpfĂ€ngers 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 fĂŒr 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 grĂ¶ĂŸte Teil der Schaltung ist in einem integrierten Schaltkreis vom Typ NE555 untergebracht, der als Multivibrator benutzt wird. Die ĂŒbrigen Bauteile legen den Frequenzbereich, mit dem der Sender arbeitet, fest und sorgen fĂŒr eine ausreichende Entstörung.

Der EmpfĂ€nger besteht aus einem Fototransitor, dem eine VerstĂ€rkerstufe mit einem integrierten OperationsverstĂ€rker nachgeschaltet ist. Der zweite OperationsverstĂ€rker 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 gefĂŒhrt, der das Signal verstĂ€rkt, um ein Relais schalten zu können. Wenn dieses Relais durchschaltet, fĂ€ngt der Scheibenwischer an zu arbeiten.

ZusĂ€tzlich ist in dem GerĂ€t 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 ZĂŒndung verursacht werden könnten, herausgefiltert. Untergebracht wird das SteuergerĂ€t in einem kleinen geerdeten MetallgehĂ€use, in dem der Sender und EmpfĂ€nger 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 fĂŒr die Funktion dieses Scheibenwischersystems ist die Anordnung der Sensoren im Innenraum eines Kraftfahrzeugs. Auf jeden Fall mĂŒssen die Sensoren so angebracht sein, dass die abzutastende FlĂ€che von den Scheibenwischern abgewischt werden kann. Weiterhin dĂŒrfen die Sensoren nicht die Sicht nach außen behindern. Durch eine geschickte Wahl des Anbringungsortes, ist es auch möglich, StöreinflĂŒsse durch beschlagene Scheiben und verqualmter Luft zu reduzieren. Damit das System auch bei Rauchern funktioniert, empfiehlt es sich, einen Ort zu wĂ€hlen, an dem hĂ€ufig frische Luft vorbeizieht. Da bei vielen Fahrzeugen die Windschutzscheibe sehr weit heruntergezogen ist, besteht die Möglichkeit, die Sensoren auf das Armaturenbrett in der NĂ€he der LĂŒftungschlitze 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 BeeintrĂ€chtigung 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 nachtrĂ€gliche VerĂ€nderung vorzunehmen. Ein Empfindlichkeitsabgleich der ist ĂŒber ein Spindelpoti möglich, das leicht zugĂ€nglich 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 fĂŒr die Steuerung benutzt werden, um sich somit vor grĂ¶ĂŸeren 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 WischerblĂ€tter auf der Scheibe stehenbleiben könnten. In diesem Fall muss die Elektronik auf einfacher Weise erweitert werden, so dass sie die Position der WischerblĂ€tter erkennt und sie gegebenenfalls in die Ausgangsposition zurĂŒckfahren lĂ€ĂŸt.

4. Erprobung des Systems

Die Erprobungsphase, die von November bis Anfang Februar lief, sollte dazu dienen, festzustellen, ob das SteuergerĂ€t und die Sensorik wirklich fĂŒr den tĂ€glichen Einsatz im Strassenverkehr geeignet sind. Außerdem diente die Erprobungsphase auch dazu, eventuell vorhandene SchwĂ€chen oder Fehler im SteuergerĂ€t und seine Funktionssicherheit ĂŒber einen lĂ€ngeren Zeitraum auszutesten.

Eingebaut wurde das SteuergerĂ€t in einen Mercedes Diesel 123. Die Sensorplatine wurde dafĂŒr provisorisch mit Klebeband auf der RĂŒckseite der Instrumententafel auf dem Armaturenbrett angebracht. Der Einbau des SteuergerĂ€ts erfolgte im Handschuhfach auf dieselbe Weise. ĂŒber den ZigarettenanzĂŒnder erfolgte die Spannungsversorgung des GerĂ€ts. Alle Komponenten der Scheibenwischersteuerung wurden ĂŒber verschiedene Stecker miteinander verbunden, um eventuell notwendige Änderungen der Elektronik durchfĂŒhren 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 ordnungsgemĂ€ĂŸ funktioniert. Damit war gewĂ€hrleistet, dass bei einem Versagen der Steuerung der Fahrer trotzdem nicht blind fahren muss. Dies wurde dadurch sichergestellt, dass das Relais des SteuergerĂ€ts parallel zum Intervallschalter angeschlossen war, also den Schalter nur ĂŒberbrĂŒckt.

Nach dem Einbau wurde das SteuergerÀt erstmal grob justiert. Die Feinjustierung geschah dann nach und nach wÀhrend des Testbetriebs bis das SteuergerÀt zuverlÀssig arbeitete. Nach zwei Tagen mit regnerischem Wetter war die Feinjustierung abgeschlossen. Danach war der Schaltpunkt der Steuerung so eingestellt, dass er zuverlÀssig 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 LĂŒftungsgeblĂ€se kurz eingeschaltet wird, arbeitet die Steuerung dann wieder zuverlĂ€ssig.

Ein anderes Problem ist, dass die zur Zeit verwendete Schaltung immer noch abhĂ€ngig ist vom Licht der Umgebung. Dadurch musste man die Schaltung fĂŒr verschiedene LichtverhĂ€ltnisse immer wieder nachjustieren. Nachdem der EmpfĂ€nger mit einem Infrarotfilter abgeschirmt wurde, funktionierte die Schaltung schon bei einem grĂ¶ĂŸeren Helligkeitsbereich. Leider konnte der Einfluss des Umlichts nicht so reduziert werden, dass das SteuergerĂ€t ĂŒber den ganzen Helligkeitsbereich arbeitet. Zur Zeit wird die Schaltung so modifiziert, dass der Schaltpunkt ĂŒber einen zweiten Fototransistor, der das Umlicht misst, automatisch angepasst wird. Es ist anzunehmen, dass so der Spindelpoti ĂŒberflĂŒssig wird.

SpÀter, 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 StöreinflĂŒsse noch durch eine Verfeinerung der Elektronik und andere Massnahmen verringern. Es lĂ€ĂŸt sich z.B. das Beschlagen der Windschutzscheibe durch sogenannte AntibeschlagtĂŒcher verringern.

5. Schlußbetrachtung, Kritik und Ausblick

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

Die Elektronik kann ohne große Probleme und Wissen ĂŒber Autoelektronik nachtrĂ€glich installiert werden, sollte aber zur Erstausstattung jedes Kfz gehören. Mit diesem GerĂ€t kann das Unfallrisiko wesentlich verringert werden. Kein Autofahrer muss wĂ€hrend eines Regenschauers mehr auf die richtige Geschwindigkeit der Intervallschaltung achten. Es genĂŒgt, die Schaltung bei Fahrtbeginn zu aktivieren. StĂ€ndig wacht dann die Sensorik darĂŒber, dass die Sicht gewĂ€hrleistet 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 fĂŒr weitere Funktionen einzuschrĂ€nken. Die benötigten Funktionen können dann ĂŒber 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