DE10008550A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung eines Bewegungsparameters eines Kraftfahrzeuges mit einem D-GPS-System - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung eines Bewegungsparameters eines Kraftfahrzeuges mit einem D-GPS-System

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Abstract

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung zur Betimmung eines Bewegungsparameters eines Kraftfahrzeugs vorgeschlagen, wobei eine Steuerung (1) zur Bestimmung insbesondere des aktuellen Geschwindigkeitsvektors und dem Winkel zwischen der Fahrzeuglängsachse und dem Geschwindigkeitsvektor (Schwimmwinkel) unter Hinzuziehung eines Differenz-Navigationssystems (D-GPS) berechnet wird. Da das Differenz-Navigationssystem (D-GPS) erheblich genauere Positionsdaten liefert als ein in Kraftfahrzeugen eingesetztes "normales" Navigationssystem, kann auch die Bestimmung des Geschwindigkeitsvektors des Kraftfahrzeugs mit größerer Genauigkeit erfolgen. Dieses ist insbesondere auf glatter Fahrbahn, wenn das Kraftfahrzeug ins Schleudern gerät oder die Meßdaten des Radsensors nicht mehr zuverlässig sind, relevant sein. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die vom Navigationssystem gelieferten Daten auch zur Kontrolle und Überwachung der Sensordaten herangezogen werden. Bei Überschreitung eines vorgegebenen Grenzwertes kann eine entsprechende Fehlermeldung ausgegeben werden.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Bestimmung eines Bewegungsparameters eines Kraftfahrzeugs nach der Gattung des Hauptanspruchs. Aus der DE 195 28 183 A1 ist schon ein Fahrzeuggerät zur Auswertung von empfangenen Positionssignalen von wenigstens einem Sender bekannt. Bei diesem Fahrzeuggerät werden beispielsweise von dem Satellitensystem GPS Zeitsignale empfangen und daraus die Positionsdaten für diverse Bewegungsparameter des Fahrzeugs, beispielsweise die Fahrgeschwindigkeit, Beschleunigung, Änderung von Dreh- und Richtungswinkeln berechnet. Mit diesen Bewegungsparametern werden Vorrichtungen für das Fahrzeug oder den Motor gesteuert. Beispielsweise kann aus dem ermittelten Geschwindigkeitssignal ein ABS-Bremssystem oder ein Fahrgeschwindigkeitsbegrenzer gesteuert werden.
Ungünstig erscheint jedoch, daß die Positionsberechnung des Fahrzeugs aus den Signalen des Satellitensystems relativ ungenau ist, so daß die daraus ermittelten Bewegungsparameter eine große Fehlertoleranz aufweisen können. Insbesondere können Drehwinkel um die Hochachse nicht mit hinreichender Genauigkeit berechnet werden. Dieses ist jedoch erforderlich, wenn das Fahrzeug insbesondere bei schlüpfriger und glatter Fahrbahn anfängt, ins Schleudern zu geraten. Denn nur bei einer frühzeitigen Erkennung eines Drehwinkels, insbesondere des Schwimmwinkels (Winkel zwischen der Fahrzeuglängsachse und dem Geschwindigkeitsvektor des Fahrzeugs) kann eine entsprechende Steuerung oder Regelung ein Ausbrechen des Fahrzeugs verhindern.
Des weiteren sind grundsätzliche Überlegungen zur Regelung der Giergeschwindigkeit in Abhängigkeit vom Lenkwinkel und der Fahrgeschwindigkeit - wobei auch der Fahrzeugschwimmwinkel berücksichtigt wird - aus der Veröffentlichung 'FDR - Die Fahrdynamikregelung von Bosch', Anton von Zanten, Rainer Erhardt und Georg Pfaff, ATZ - Automobiltechnische Zeitschrift 96 (1994) 11, Seiten 674 bis 689, bekannt. In dieser Veröffentlichung werden zunächst theoretische Zusammenhänge zwischen dem Ist-Verhalten eines Kraftfahrzeugs unter Berücksichtigung der Giergeschwindigkeit und des Schwimmwinkels dargestellt und anschließend anhand eines Steuergerätes näher erläutert. Zur Erfassung des Lenkwinkels, der Fahrzeuggeschwindigkeit und der Giergeschwindigkeit bei einer Kurvenfahrt werden entsprechende Sensoren verwendet, die sich am Fahrzeug befinden. Hinweise zur Verwendung von Positionssignalen, die von einem Satellitensystem übertragen werden, sind dieser Veröffentlichung jedoch nicht entnehmbar.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die Vorrichtung zur Bestimmung eines Bewegungsparameters eines Kraftfahrzeugs mit den kennzeichnenden Merkmalen der nebengeordneten Ansprüchen 1 und 6 hat demgegenüber den Vorteil, daß durch die Verwendung des Differenz-Positions-Satellitensystems, vorzugsweise des D-GPS-Systems, der augenblickliche Geschwindigkeitsvektor für das Kraftfahrzeug mit seiner exakten Lage im globalen Koordinatensystem sehr genau bestimmt werden kann. Die Bestimmung des Geschwindigkeitsvektors aus Signalen von Radsensoren ist zu unzuverlässig, da beispielsweise bei glatter Fahrbahn die Radgeschwindigkeit infolge eines Bremseingriffes verfälscht wird. Hier hilft in vorteilhafter Weise eine Positions- und Geschwindigkeitsberechnung aus den Signalen des D-GPS- Systems. Die Praxis hat gezeigt, daß eine Positionsbestimmung mit einem D-GPS-System bis auf weniger als ein Meter genau sein kann. Dies ist eine große Verbesserung gegenüber dem bekannten GPS-System (Global- Position-System), bei dem Toleranzen von 100 m oder mehr möglich sind.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Verfahrens bzw. der Vorrichtung möglich. Besonders vorteilhaft ist, daß die Berechnung des Schwimmwinkels und/oder des Geschwindigkeitsvektors zur Regelung der Giergeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs verwendet wird. Insbesondere kann ein entsprechendes Gerät zur Fahrdynamikregelung (FDR) bei frühzeitigem Eingriff, beispielsweise durch Bremsen des entsprechenden Rades die Giergeschwindigkeit kompensieren und somit ein Schwimmen und Außer-Kontrolle-Geraten des Fahrzeugs wirkungsvoll verhindern.
Als besonders vorteilhaft wird weiter angesehen, daß die vom D-GPS-System ermittelten Bewegungsparameter dazu benutzt werden können, die Daten der Fahrzeugsensoren zu kontrollieren oder auch zu korrigieren. Dies erfolgt insbesondere in solchen Phasen, wenn beispielsweise das Fahrzeug in normaler Fahrt auf einer geraden Strecke fährt. Die Daten eines Gierratensensors können beispielsweise bei einer normalen Kurvenfahrt ermittelt werden.
Als besonders vorteilhaft wird angesehen, daß bei Überschreiten einer vorgegebenen Schwelle für die Differenz aus den Satellitensignalen und den Sensorsignalen ermittelten Parameterwerte eine Warnmeldung an den Fahrer ausgegeben wird. Aufgrund der Warnung erkennt der Fahrer, daß beispielsweise die Vorrichtung für die Fahrdynamikregelung fehlerhaft ist. Er hat somit die Möglichkeit, rechtzeitig eine Werkstatt aufzusuchen, um sein Fahrzeug überprüfen zu lassen.
Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild, Fig. 2 und 3 zeigen Diagramme in einem globalen Koordinatensystem, Fig. 4 zeigt ein drittes Diagramm, und Fig. 5 zeigt eine Tabelle.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Das Blockschaltbild der Fig. 1 zeigt eine Steuerung 1, die über einen entsprechenden Eingang mit einem Navigationssystem 2 verbunden ist, das als Differenz- Navigationssystem (D-GPS, Global Positioning System) ausgebildet ist. Das D-GPS-System 2 liefert zeitabhängige Daten für die Positionsbestimmung des Kraftfahrzeugs in einem globalen Koordinatensystem x(t), y(t). Desweiteren ist an die Steuerung 1 ein Sensor 4 angeschlossen, der beispielsweise als Raddrehzahlfühler die Geschwindigkeit des Fahrzeugs erfaßt. Weitere Sensoren wie Lenkwinkel-, Drehraten-, Querbeschleunigungs- und/oder Federwegsensor sind vorsehbar. Ausgangsseitig ist die Steuerung 1 mit einem Steuergerät 3 verbunden, das beispielsweise zur Fahrdynamikregelung (FDR, ESP) dient. In alternativer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das Steuergerät 3 mit dem Sensor 4 verbunden ist und dessen Daten vorzugsweise in aufgeschlüsselter Form an die Steuerung 1 liefert. Dieses können Daten über die Fahrzeuggeschwindigkeit v(t) oder den Lenkwinkel w(t) sein. Andererseits liefert die Steuerung 1 aufbereitete Daten über die Fahrzeug-Ist-Geschwindigkeit oder den Schwimmwinkel b(t). Als Schwimmwinkel wird der Winkel verstanden, der zwischen der Fahrzeuglängsachse 1 und dem Geschwindigkeitsvektor V gebildet wird. Dieser Zusammenhang ist in Fig. 2 näher erläutert.
Das Diagramm der Fig. 2 zeigt ein globales x, y- Koordinatensystem, in dem die Bewegung des Fahrzeugs 10 durch drei Zustandsgrößen beschrieben wird. Demnach läßt sich die Position des Fahrzeugschwerpunktes S durch den Vektor a beschreiben. Der Geschwindigkeitsvektor V greift im Fahrzeugschwerpunkt S an und zeigt in die Bewegungsrichtung des Fahrzeuges. Als dritte Größe ist der Schwimmwinkel b(t) zwischen der Fahrzeuglängsachse 1 und dem Geschwindigkeitsvektor V zu nennen. Der D-GPS-Empfänger sollte vorzugsweise in der Nähe des Schwerpunktes S angeordnet sein. In der Praxis wird dies nicht immer möglich sein. Es muß daher bei der Positionsbestimmung ein entsprechender Offsetwert zur Korrektur berücksichtigt werden.
Fig. 3 zeigt die Meßgrößen, die zur Bestimmung der Fahrzeugzustandsgrößen, insbesondere der Position des Fahrzeugschwerpunktes S, die aus Daten des D-GPS-Systems 2 bestimmt wird, die Drehrate w des Kraftfahrzeugs 10, die von dem Sensor 4, beispielsweise einem Drehraten- oder Gierratensensor 5 geliefert wird. Alternativ kann diese Information auch von einem entsprechenden Steuergerät 3 zur Fahrdynamikregelung geliefert werden. Desweiteren wird für Abgleich- und Stützungsaufgaben die Radgeschwindigkeit oder Raddrehzahl vorzugsweise von einem Raddrehzahlsensor geliefert. Der Drehratensensor 5 gibt die Drehrate w oder den Drehwinkel in Abhängigkeit von der Fahrgeschwindigkeit oder der zurückgelegten Fahrstrecke an. Alternativ ist auch die Verwendung eines entsprechenden Lenkwinkelsensors möglich.
Als weiterer Parameter wird die Komponente der Fahrzeuggeschwindigkeit in 1-Richtung abgeschätzt. Diese wird aus einer Referenz-Geschwindigkeit gebildet, die das Steuergerät 3 aus den Daten des Raddrehzahlsensors und gegebenenfalls weiterer Daten liefert, beispielsweise von Motormanagement-Daten. Dieser Parameter wird wie eine Meßgröße behandelt und nachfolgend näher erläutert.
Anhand der Fig. 4 wird die Bewegung des Fahrzeuges 10 von einem Zeitpunkt t0 bis zum Zeitpunkt t1 näher erläutert. Das x/y-Koordinatensystem zeigt die Lage des Schwerpunktes S0 zum Zeitpunkt t0, beziehungsweise S1 zum Zeitpunkt t1 mit den entsprechenden Geschwindigkeitsvektoren
(t0) bzw. (t1)
und den Schwimmwinkeln b(t0) beziehungsweise b(t1). In dieser Zeit ändert sich die Lage des Schwerpunktes von S0 auf S1, die vektoriell durch den Vektor a(t0) bzw. a(t1) und der Winkeländerung Δα beschrieben ist. Die Fahrzeugachsen ändern sich entsprechend von l, q in l', q'.
Aus dieser Koordinatendarstellung lassen sich nun die Gleichungen für die Geschwindigkeit des Fahrzeugschwerpunktes S wie folgt ableiten. Aus der zeitlichen Ableitung des vom D-GPS-Systems gelieferten Ortsvektors ergibt sich für das Fahrzeug 10 der Geschwindigkeitsvektor
Damit läßt sich der Schwimmwinkel b über die Beziehung
berechnen.
Da die vom Steuergerät 3 gelieferte Referenzgeschwindigkeit allerdings in manchen Situationen, beispielsweise bei Glatteis, nicht verläßlich ist, kann der Schwimmwinkel b entsprechend der Fig. 4 wie folgt berechnet werden. Das Fahrzeug startet mit einem Schwimmwinkel von b = 0°. Die Änderung des Schwimmwinkels Δb mit der Zeit kann über folgende Beziehung bestimmt werden:
Dabei bedeutet
Als Integration des Drehratensignals w des Drehratensensors und
Δα = α(t1) - α(t0)
mit
Die Berechnung in Gleichung 2 kann zum Abgleich von Δγ in Gleichung 3 während unkritischer Fahrzustände verwendet werden, da das Signal des Drehratensensors in der Regel mit einem Offset beaufschlagt ist, der durch das Integral in Gleichung 4 immer weiter aufsummiert würde.
Damit kann eine Stützung der Referenzgeschwindigkeit des Fahrzeugs über die Gleichung
nur stattfinden, wenn ein kritischer Fahrzustand herrscht, was allerdings auch nur in diesem Fall notwendig ist. Die einzelnen Bedingungen für einen kritischen Fahrzustand sind durch den Sensor- und Reifentoleranzabgleich vorgegeben und bereits in dem Steuergerät 3 berücksichtigt.
Tabelle 5 zeigt zusammenfassend den Zusammenhang zwischen der Fahrzeug-Referenzgeschwindigkeit und dem Schwimmwinkel bei einem kritischen und einem normalen Fahrzustand.
Bezugnehmend auf das Ausführungsbeispiel der Fig. 1 liefert das D-GPS-System 2 die zeitlich veränderlichen Koordinaten x(t) und y(t) im globalen Koordinatensystem an die Steuerung 1. Diese erhält von dem Sensor 4 die aktuelle Drehrate w(t), sowie die Referenzgeschwindigkeit v(t). Diese Werte können auch von einem entsprechenden Steuergerät 3 geliefert werden. Aus diesen Werten errechnet die Steuerung 1 den aktuellen Schwimmwinkel b(t) und die neue Referenzgeschwindigkeit v*(t). Diese stehen dem Steuergerät 3 zur weiteren Verwendung zur Verfügung. Ist das Steuergerät 3 als Fahrdynamiksteuergerät ausgebildet (FDR, ESP), dann können diese Werte insbesondere zur Korrektur des aktuellen Schwimmwinkels b(t), d. h. zur Stabilisierung des momentanen Fahrzustandes des Kraftfahrzeugs 10 verwendet werden.
In alternativer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die vom Navigationssystem gelieferten Daten für die Positionsbestimmung ebenfalls herangezogen werden, um die vom Sensor 4, beziehungsweise vom Steuergerät 3 gelieferten Parameter zu kontrollieren. So kann bei wiederholter Bestimmung der Fahrzeugposition auf der Basis der Navigationsdaten auch der vom Fahrzeug zurückgelegte Fahrweg, der vom Sensor 4, beziehungsweise dem Steuergerät 3 ermittelt wurde, mit den von dem Satellitensystem gelieferten Daten verglichen werden. Entsprechendes gilt für die Fahrgeschwindigkeit sowie für die Winkelbestimmungen aus den Werten des Drehratensensors. Überschreitet die Differenz, die aus den Satellitendaten und den Sensordaten ermittelt wurde, einen vorgegebenen Schwellwert, dann kann dieses ein Hinweis für einen Fehler sein. In diesem Fall wird vorzugsweise eine Meldung an den Fahrer ausgegeben, so daß der Fahrer sein Fahrzeug zur Überprüfung in eine Werkstatt geben kann.

Claims (6)

1. Verfahren zur Bestimmung eines Bewegungsparameters eines Kraftfahrzeugs (10), wobei wenigstens ein Sensor (4), beispielsweise ein Geschwindigkeits-, ein Lenkwinkel-, ein Drehraten-, ein Querbeschleunigungs-, ein Federwegsensor und/oder ein Satellitensystem Daten an eine Steuerung (1) des Kraftfahrzeugs (10) sendet und diese aus den empfangenen Daten den Geschwindigkeitsvektor und seine Lage nach einem vorgegebenen Algorithmus berechnet, dadurch gekennzeichnet, daß das Navigationssystem ein Differenz- Positions-Satellitensystem (D-GPS-System) ist, das Daten an die Steuerung (1) sendete und daß die Steuerung (1) aus den empfangenen Daten des wenigstens einen Sensors (4) und des D-GPS-Systems (2) die exakten Positionskoordinaten für den Fahrzeugschwerpunkt im globalen Koordinatensystem, den augenblicklichen Geschwindigkeitsvektor und/oder seinen Schwimmwinkel berechnet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung (1) den Schwimmwinkel und/oder den Geschwindigkeitsvektor zur Regelung der Giergeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs (10) verwendet.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Geschwindigkeitsvektor und/oder der Schwimmwinkel β(t) in einem Gerät (3) zur Fahrdynamikregelung (FDR, ESP) verwendet.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung (1) aus wiederholt empfangenen Signalen des D-GPS-Systems die Bewegungsparameter berechnet und diese mit den berechneten Daten vergleicht, die von dem wenigstens einen Sensor (4) geliefert wurden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung (1) bei Überschreiten eines vorgegebenen Schwellwertes für die Differenz der aus den Satellitensignalen und den Sensordaten berechneten Parameterwerte eine Warnmeldung an den Fahrer ausgibt.
6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung eine Steuerung (1) aufweist, an die Daten von einem Sensor (4) und/oder einem Steuergerät (3) sowie einem Differenz-Positions-Satellitensystem (D-GPS-System, 2) geliefert werden und daß die Steuerung (1) ausgebildet ist aus den empfangenen Daten, den aktuellen Geschwindigkeitsvektor und/oder den Schwimmwinkel zu berechnen.
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