System zur Signalübertragung an ein bewegtes Objekt

Die Erfindung betrifft System zur Signalübertragung an ein innerhalb einer vorgegebenen Spur bewegtes Objekt gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Autonom bewegte Objekte, insbesondere Fahrzeuge, werden meist innerhalb einer vorgegebenen Spur bewegt. Vielfach werden dabei die Fahrzeuge auf Schienen bewegt oder entlang von Schienen geführt. Gerade bei autonom bewegten Fahrzeugen ist es erforder- lieh, Signale an das Fahrzeug zu übertragen, beispielsweise um das Fahrzeug in einer Station positionsgenau zu stoppen. Die Signalübertragung an das Fahrzeug erfolgt oft über mechanische Kontakte. Auch Ultraschall-, Infrarot- und Funkübertragungen von Informationen an das Fahrzeug sind bekannt. Mechanische Kontakte sind einem hohen Ver- schleiss unterworfen und bei höheren Geschwindigkeiten des autonom, bewegten Fahr- zeugs nicht praktikabel. Signalübertragungen mit Ultraschall, Infrarot oder Funk sind relativ störanfällig.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, diesen Nachteilen der Systeme des Stands der Technik abzuhelfen und die Signalübertragung an ein innerhalb einer vorge- gebenen Spur bewegtes Objekt, insbesondere an ein autonom bewegtes Fahrzeug, zu verbessern. Das System soll weitgehend verschleissfrei sein und auch bei höheren Geschwindigkeiten eine zuverlässige Signalübertragung gewährleisten. Die Anfälligkeit gegenüber Störeinflüssen soll reduziert werden. Das System soll dafür geeignet sein, auch komplexere Informationen zu übertragen. Dabei soll das System einfach und kostengün- stig realisierbar und auch für eine Nachrüstung bestehender Anlagen geeignet sein.

Die Lösung dieser Aufgaben besteht in einem System zur Signalübertragung an ein innerhalb einer vorgegebenen Spur bewegtes Objekt, welches die im kennzeichnenden Abschnitt des Patentanspruchs 1 angeführten Merkmale aufweist. Weiterbildungen und/ oder vorteilhafte Ausführungsvarianten der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Ein System zur Signalübertragung an ein innerhalb einer vorgegebenen Spur bewegtes Objekt weist wenigstens eine entlang der Bewegungsbahn des Objekts angeordnete Gebereinrichtung auf, die sich über eine bestimmte Strecke erstreckt und mit einer am bewegten Objekt angeordneten Sensoreinrichtung zusammenwirkt. Die Gebereinrichtung ist eine Einrichtung zur Erzeugung eines Magnetfeldes. Die Sensoreinrichtung umfasst wenigstens einen Hallsensor, dessen Hallmessfeld derart ausgerichtet ist, dass es vom Vektor der magnetischen Flussdichte des erzeugten Magnetfeldes senkrecht durchdrungen wird.

Der am bewegten Objekt angeordnete Hallsensor wirkt berührungs- und damit ver- schleisslos mit dem entlang einer Teilstrecke seiner Bewegungsbahn erzeugten Magnetfeld zusammen. Das Magnetfeld kann leicht derart erzeugt werden, dass es sich über eine geeignete Länge erstreckt und über die gesamte Länge eine im wesentlichen konstante Magnetfeldstärke aufweist. Der Hallsensor reagiert sehr schnell und erlaubt auch bei ho- hen Geschwindigkeiten des Objekts eine zuverlässige Signalübertragung. Störeinflüsse lassen sich relativ leicht herausfiltern, so dass eine sichere Registrierung des Signals gewährleistet ist. Beispielsweise kann eine Differentialhallsensor mit zwei entsprechend ausgerichteten Messfeldern eingesetzt werden. Der Pegel des am Ausgang des Hallsensors anliegenden Signals ist je nach Flussdichte des Magnetfeldes und Abstand des HaIl- sensors von der Einrichtung zur Erzeugung des Magnetfeldes ausreichend gross, um auf Verstärker oder dergleichen verzichten zu können und das Ausgangssignal unmittelbar für Folgefunktionen (Steuerungen) einzusetzen. Das System aus Magnetfelderzeuger und Hallsensor ist relativ kostengünstig herstellbar und erlaubt wegen seines relativ geringen Platzbedarfs auch eine Nachrüstung bereits bestehender Anlagen mit innerhalb einer vorgegebenen Spur bewegten Objekten.

Eine zweckmässige Ausführungsvariante der Erfindung sieht vor, dass die Einrichtung zur Erzeugung des Magnetfeldes eine Magnetschienenanordnung mit wenigstens zwei Magneten, die eine gleichgerichte Polarisation aufweisen, umfasst. Die Magnete sind zwi- sehen zwei parallel zueinander verlaufenden Flussleitschienen aus einem weichmagnetischen Material angeordnet, die sich in Richtung der Bewegungsbahn des Objekts erstrek- ken. Die Flussleitschienen sorgen auf einfache Weise dafür, dass das Magnetfeld über die gesamte Längserstreckung der Magnetschienenanordnung eine annähernd gleiche Fluss-

dichte auf weist. Dies hängt im wesentlichen vom Material der Flussschienen ab, welches idealerweise dem magnetischen Fluss einen möglichst geringen Widerstand entgegensetzt. Wegen der parallelen Ausrichtung und der gleichgerichteten Polarisation der Magnete bildet die eine Flussschiene den magnetischen Nordpol während die andere Fluss- schiene den Südpol bildet. Die Anzahl der zwischen den Flussleitschienen angeordneten Magnete gleicher Polarisierung bestimmt die Stärke des Magnetfeldes zwischen den beiden Flussschienen und kann sehr einfach an die Erfordernisse angepasst werden. Auch die Länge der Erstreckung des Magnetfeldes entlang der Bewegungsbahn des Objekts kann sehr einfach durch eine Veränderung der Länge der Flussschienen und der Anzahl der Magnete optimiert werden. Der am bewegten Objekt angeordnete Hallsensor detek- tiert beim überfahren der Magnetschienenanordnung das Magnetfeld und erzeugt ein entsprechendes Ausgangssignal. Wird der Bewegungsrichtung des Objekts in einem Koordinatensystem die x-Achse zugeordnet, dann verläuft die Polarisierung der Magnete senkrecht dazu, parallel zu y- Achse. Der am bewegten Objekt angeordnete Hallsensor ist dabei derart angeordnet, dass sich sein Hallmessf eld parallel zu der von der x- Achse und der z- Achse aufgespannten Ebene erstreckt.

Die Magnete sind mit Vorteil Permanentmagnete, die stabf örmig ausgebildet sind. Dadurch ist die Magnetschienenanordnung unabhängig von einer Energieversorgung.

Zur Verbesserung der Verteilung des magnetischen Flusses über die Magnetschienenanordnung erweist es sich als zweckmässig, wenn die Flussleitschienen an den Polen der Permanentmagnete anliegen.

Die Stärke und Homogenität des Magnetfeldes hängt von der Anzahl der zwischen den Flussleitschienen angeordneten Magnete ab. üblicherweise sind daher zwei oder mehr Magnete vorgesehen. Eine zweckmässige Anzahl der zwischen den Flussleitschienen angeordneten Magnete liegt bei zwei bis fünf Einzelmagneten etwa gleicher Magnetfeldstärke und Polarisierung.

Die Homogenität des Magnetfeldes über die Längserstreckung der Magnetschienenanordnung hängt auch vom Abstand der Magnete voneinander ab. Dieser beträgt beispielsweise etwa 5 cm bis etwa 10 cm.

Zur Verbesserung der Detektion des Magnetfeldes erweist es sich vom Vorteil, wenn der Hallsensor im Bereich des Hallmessfeldes wenigstens einen Flussverstärker aufweist, der parallel zum Vektor der Polarisation der Magnete angeordnet ist. Dadurch kann am Aus- gang des Hallsensors ein grosserer Signalpegel erzielt werden. Zur weiteren Verbesserung des Signalpegels am Ausgang des Hallsensor sieht eine andere vorteilhafte Ausführungsvariante der Erfindung vor, dass der Hallsensor zwei Flussverstärker aufweist, die etwa in Höhe des Hallmessfeldes von den beiden Flachseiten des Hallsensors abragen und parallel zum Vektor der Polarisation der Magnete angeordnet sind. .

Das erfindungsgemässe System weist den Vorteil auf, dass zur übertragung von komplexeren Signalen und Informationen entlang der Bewegungsbahn des Objekts mehrere Einrichtungen zur Erzeugung von Magnetfeldern, beispielsweise Magnetschienenanordnungen, nebeneinander angeordnet sein können, die mit einer entsprechenden Anzahl von Hallsensoren zusammenwirken, die am bewegten Objekt vorgesehen sind. Die nebeneinander angeordneten Magnetschienenanordnungen können dabei wenigstens zum Teil verschieden voneinander ausgebildet sein. Beispielsweise können die Magnetfeldstärken der von den nebeneinander angeordneten Magnetschienenanordnunen erzeugten Magnetfelder voneinander verschieden sein. Mit der Anordnung mehrerer Magnetfelder nebeneinander besteht auch die Möglichkeit Information beispielsweise dual kodiert zu übertragen. Dabei werden Einsen und Nullen durch zwei unterschiedlich starke Magnetfelder dargestellt. Die den Magnetfeldern zugeordneten, am bewegten Objekt nebeneinander angeordneten Hallsensoren detektieren die unterschiedlich starken Magnetfelder und erzeugen eine entsprechende Abfolge von Ausgangssignalen zweier voneinander verschiedenen Stärken. Die an den Ausgängen der nebeneinander angeordneten Hallsensoren anliegenden Signale können beispielsweise an einen Dekodierer weitergeleitet werden, der sie zu der übertragenen Information zusammensetzen kann und daraus entsprechende Aktionen ableiten bzw. einleiten kann. In einer alternativen Variante der Kodierung können die nebeneinander angeordneten Magnetschienenanordnungen auch eine unterschiedliche Länge aufweisen. Die Verwendung von zwei unterschiedlich langen

Magnetschieneanordnungen erlaubt ebenfalls eine duale Kodierung, die von den Hallsensoren festgestellt werden kann. Es versteht sich, dass mit dem erfindungsgemässen System auch andere Kodierungssysteme als das duale System umsetzbar sind.

Für die üblicherweise zu übertragenden komplexeren Signale und Informationen erweist sich eine Anzahl von ein bis zehn Einrichtungen zur Erzeugung eines Magnetfeldes, insbesondere Magnetschienenanordnungen, als zweckmässig.

Das erfindungsgemässe System ist grundsätzlich überall dort einsetzbar, wo ein Objekt wiederholt entlang einer vorgegebenen Spur bewegt wird. In einer vorteilhaften Anwendung des Systems ist das bewegte Objekt ein automatisch bewegtes Fahrzeug. Dabei kann es sich beispielsweise um ein Fahrzeug einer Achterbahn, um ein autonom bewegtes Transportfahrzeug in einem Betrieb, einen Aufzug oder auch um ein autonom bewegten Fahrzeug für den Personentransport im Nahverkehr handeln.

Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung unter Bezugnahme auf die schematischen Figuren. Es zeigen in nicht massstabsgetreuer Darstellung:

Fig. 1 das Prinzip eines Systems mit einer Magnetschienenanordnung und einem Hallsensor gemäss der Erfindung;

Fig.2 eine Anordnung in Analogie zu der Prinzipdarstellung in Fig. 1 mit einer grosseren Anzahl von Magneten;

Fig.3 eine Veranschaulichung des erzeugten Magnetfelds und der Verhältnisse am Hallsensor;

Fig.4 das beim überfahren der Magnetschienenanordnung vom Hallsensor gemessene Signal; und

Fig.5 eine Variante des Systems umfassend mehrere Magnetschienenanordnungen und eine korrespondierende Anzahl von Hallsensoren.

Fig. 1 zeigt eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemässen Systems zur Signalübertragung, das gesamthaft mit dem Bezugszeichen 10 versehen ist. Das System 10 umfasst eine

Magnetschienenanordnung 1 mit zwei parallel zueinander verlaufenden Flussleitschienen 2, 3 zwischen denen Magnete 4, 5 angeordnet sind, die hinsichtlich ihrer magnetischen Polarisierung gleich ausgerichtet sind. Die Flussleitschienen 2, 3 bestehen aus einem weichmagnetischen Material, welches des magnetischen Fluss weitgehend widerstands- frei zu leiten vermag. Indem die magnetische Polarisierung der Magnete 4, 5 gleich ausgerichtet ist, bildet die eine Flussleitschiene 2 den magnetischen Nordpol N während die andere Flussleitschiene S den magnetischen Südpol bildet. Die Magnete 4, 5 sind stabför- mige Permanentmagnete, was den Vorteil hat, dass eine Energieversorgung für die Magnete 4, 5 entfallen kann. Es versteht sich jedoch, dass die Magnete auch Elektromagnete sein können. Diese haben den Vorteil, dass ihre Magnetfeldstärke bei Bedarf veränderbar ist. Die Flussleitschienen 2, 3 der Magnetschienenanordnung 1 Hegen mit Vorteil an den magnetischen Polen der Magnete 4, 5 an und lassen einen Luftspalt 6 frei. Die Magnetschienenanordnung 1 ist beispielsweise in der Bahn eines entlang einer vorgegebenen Spur bewegten Objekts, beispielsweise eine automatisch betriebenen Fahrzeugs angeord- net. Die Längserstreckung der Magnetschienenanordnung 1 verläuft parallel zur Bewegungsrichtung des bewegten Objekts bzw. Fahrzeugs.

In einem Abstand ist oberhalb der Magnetschienenanordnung 1 etwa mittig zwischen den beiden Flussleitschienen 2, 3 ein Hallsensor 7 angedeutet. Der Hallsensor 7 ist an dem entlang der vorgegebenen Spur bewegten Objekt montiert und derart angeordnet, dass sein Hallmessfeld von den aus der magnetischen Polarisierung resultierenden Flusslinien j senkrecht durchsetzt wird. Wird der Längserstreckung der Magnetschienenanordnung in einem Koordinatensystem die x-Achse zugeordnet, dann verläuft die Polarisierung der Magnete senkrecht dazu, parallel zu y- Achse. Der Hallsensor ist derart ausgerichtet, dass sich sein Hallmessfeld parallel zu der von der x-Achse und der z- Achse aufgespannten Ebene erstreckt. Dann durchsetzen die magnetischen Flusslinien das Hallmessfeld des Hallsensors 7 senkrecht. Aus Fig. 1 ist ersichtlich, dass der Hallsensor 7 mit Flussverstärkern 8, 9 ausgestattet sein kann, welche den auf das Hallmessfeld auftreffenden magnetischen Fluss konzentrieren. Die Flussverstärker 8, 9 bestehen aus einem weichmagneti- sehen Material und erstrecken sich an beiden Flachseiten etwa in Höhe des Hallmessfelds parallel zur Richtung des magnetischen Flusses j, d.h. in y Richtung.

Fig.2 zeigt eine Variante des erfindungsgemässen System, das gesam.th.aft mit dem Bezugszeichen 20 versehen ist. Es umf asst wiederum eine ortsfeste Magnetschienenanordnung 21 und einen relativ zur Magnetschienenanordnung 21 beweglichen Hallsensor 7. Zum Unterschied von der Prinzipdarstellung in Fig. 1 weist die Magnetschienenanord- nung 21 mehrere Magnete 22, 23, 24, 25, 26 auf, die in einem Abstand von etwa 5 cm bis etwa 10 cm zwischen den Flussleitschienen 2, 3 angeordnet sind. Die Magnetschienenanordnung 21 gemäss Fig.2 weist beispielsweise 5 Magnete, insbesondere stabförmige Permanentmagnete 22 - 26 auf. Als praktikabel erweist sich eine Anzahl von zwei bis fünf Magneten. Durch die gleiche Ausrichtung der magnetischen Polarisierung der Einzelma- gnete 22 - 26 bilden die Flussleitschienen 2, 3 den magnetischen Nordpol N bzw. den magnetischen Südpol S. Beim überfahren der Magnetschienenanordnung 21 registriert der Hallsensor 7, der wiederum mit Flussverstärkern 8, 9 ausgestattet ist, das über die Längserstreckung der Magnetschienenanordnung 21 weitgehend konstante Magnetfeld. Die Stärke des Magnetfelds hängt von der Magnetfeldstärke der einzelnen Magnete und von der Anzahl der zwischen den Flussleitschienen 2, 3 angeordneten Magnete ab. Es versteht sich, dass zweckmässigerweise die Magnete einer Magnetschienenanordnung etwa die gleiche Magnetfeldstärke aufweisen.

Fig.3 zeigt eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemässen Systems, beispielsweise des Systems 20 gemäss Fig. 2. daher tragen gleiche Elemente die gleichen Bezugszeichen. Zur Verdeutlichung des von der Magnetschienenanordnung 21 erzeugten Magnetfeldes und der magnetischen Verhältnisse am Hallsensor 7 sind die magnetischen Flusslinien j angedeutet. Insbesondere ist aus der Darstellung auch ersichtlich, wie die magnetischen Flusslinien j durch die beidseits der Flachseiten des Hallsensors 7 angeordneten Flussverstär- ker 8, 9 konzentriert und auf das Hallmessfeld geleitet werden.

Fig.4 gibt einen beispielsweisen Verlauf des von einem Hallsensor 7 bei der überfahrt über die Magnetschienenanordnung 21 gemessenen Signals wieder. Der vertikale Abstand des Hallsensors 7 von der Magnetschienenanordnung 21 betrug dabei etwa 45 mm. Es ist deutlich ersichtlich, dass das Signal über die Längserstreckung der Magnetschienenanordnung 21 praktisch konstant ist.

Fig. 5 gibt eine sehr vorteilhafte Variante eines erfindungsgemässen Systems wieder, die gesamthaft mit dem Bezugszeichen 100 versehen ist. Wie aus der schematischen Darstellung ersichtlich ist, umfasst das System 100 eine Anzahl von Magnetschienenanordnun- gen 21, die ortsfest nebeneinander auf einer Bahn 102 montiert sind. Die Gleitschienenan- Ordnungen 21 verlaufen dabei parallel zueinander. Zwischen den Gleitschienenanordnungen 21 können Abschirmungen 108 für die von den Gleitschienenanordnungen 21 erzeugten Magnetfelder vorgesehen sein. Den Magnetschienenanordnungen 21 ist eine gleich grosse Anzahl von Hallsensoren 7 zugeordnet, die beispielsweise an einem Fahrzeugboden 105 eines beweglichen Fahrzeugs montiert sind. Alle Hallsensoren 7 weisen den gleichen Abstand von den zugehörigen Magnetschienenanordnungen 21 auf. Das durch den Fahrzeugboden 105 symbolisierte Fahrzeug wird entlang einer vorgegebenen Spur 101 bewegt, die durch von der Bahn 102 abragende Gleitschienen 103, 104 begrenzt ist. Vom Fahrzeugboden 105 ragen Stützarme 106, 107 ab, die beispielsweise mit ihren freien Enden die erweiterten Enden der Gleitschienen 103, 104 umgreifen. Die Führung des Fahrzeugs innerhalb der vorgegebenen Spur 101 ist für die Erfindung unerheblich und wird daher auch nicht weiter ausgeführt. Die Bewegungsrichtung des Fahrzeugs ist in Längsrichtung der Magnetschienenanordnung 21 bzw. im dargestellten Ausführungsbeispiel in die Zeichenebene hinein bzw. aus dieser heraus.

Das Vorsehen von mehreren Magnetschienenanordnungen 21 und zugehörigen Hallsensoren 7 erlaubt die übertragung von komplexeren Signalen und Informationen. Durch eine entsprechende Ausbildung der Magnetschienenanordnungen 21 können beispielsweise dual kodierte Signale übertragen werden. Dazu sind zwei Arten von Magnetschienenanordnungen 21 vorgesehen, die unterschiedlich starke Magnetfelder erzeugen. Die beiden verschieden starken Magnetfelder stehen für 1 bzw. 0 im Dualsystem. Die zugehörigen Hallsensoren 7 detektieren die unterschiedlich starken Signale und geben diese beispielsweise an eine Dekodiereinrichtung weiter, in der die Signale der einzelnen Hallsensoren 7 zusammengefasst und ausgewertet werden, um daraus entsprechende Aktionen ableiten zu können. Gemäss dem dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst das System vier Magnetschienenanordnungen 21 und eine entsprechend Anzahl von zugehörigen Hallsensoren. Für die kodierte übertragung komplexer Informationen erweist sich eine Anzahl von ein bis zehn Magnetschienenanordnungen als zweckmässig.