DE10039978C2 - Vorrichtung zum Messen des Neigungswinkels und/oder der Beschleunigung - Google Patents
Vorrichtung zum Messen des Neigungswinkels und/oder der BeschleunigungInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen des
Neigungswinkels unabhängig von einer Quer- oder Vertikalbeschleunigung und,
oder zum Messen dieser Beschleunigungen. Sie ist anwendbar in Meßgeräten,
handgeführten Befehlsgeräten, Fahrzeugen, Flugzeugen, Schiffen und
Zweirädern, wie etwa Motorrädern.
In bekannten Geräten zur Messung der Kurvenneigung werden mechanische
Präzisionskreisel, Laserkreisel und andere Systeme der Trägheitsnavigation
eingesetzt, die an das Fahrzeug montiert, Meßwerte für die Kurvenneigung mit
hinreichender Genauigkeit abgeben.
Der offensichtliche Nachteil der meisten Lösungen besteht darin, daß die mit
diesen Systemen verbundenen Kosten den Einbau in der Großserie nicht
zulassen.
Einfache Lösungen, wie die Libelle einer Wasserwaage oder der Auslenkungs
winkel eines Pendels, sind kostengünstig. Der offensichtliche Nachteil dieser
Ansätze besteht nun darin, daß Neigungswinkel und Beschleunigung gemeinsam
registriert werden und so die Meßergebnisse nicht unterscheidbar sind.
Ein interessanter Ansatz zum Erfassen einer Fahrzeugneigung und -beschleu
nigung ist in der DE 195 38 616 A1 beschrieben.
Der offensichtliche Nachteil dieses Vorschlages besteht nun darin, daß die
angegebene Gleichung nur für Querbeschleunigungen größer 1 G lösbar ist.
Ein weiterer Ansatz zur Lösung dieser Problematik bei Zweirädern zielt nun
darauf, mit einem Beschleunigungssensor die resultierende Beschleunigung aus
Gravitation und Zentrifugalbeschleunigung in der Kurve zu messen.
Der offensichtliche Nachteil dieser Lösung besteht darin, daß mit dieser Messung
lediglich der Betrag, nicht aber das Vorzeichen des Neigungswinkels bestimmt
werden kann. Durch das Hinzunehmen von Gyrosensoren wird auch die Richtung
der Kurvenneigung bestimmbar. Motorvibration, Bodenwellen, Schlaglöcher und
andere Fahrbahneinflüsse können die Messung völlig unbrauchbar machen, wie
dies bei der DE 28 40 714 A1 der Fall ist, weil bei Geradeausfahrt und
geringer Kurvenneigung die Änderung der Meßgröße viel zu gering ist, um die
durch Integration der Drehrate bestimmte Neigung hinreichend genau zu
korrigieren und etwa die Drehlage des Fahrscheinwerfers auf etwa +/-3° genau
zu regeln. Damit ist dieser Ansatz lediglich geeignet das Überschreiten von
Grenzwerten bei Kurvenneigung größer +/-30° anzuzeigen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Sensoranordnung
vorteilhaft auszubilden, mit welcher in einer Vertikalebene der Neigungswinkel
bezüglich der Richtung der Auflagekraft, unabhängig von weiteren
Beschleunigungen bestimmt wird und die Genauigkeit der Winkelmessung etwa
+/-0,1° erreicht.
Im Falle von Zweirädern ist die Richtung der Auflagekraft die Resultierende aus
Gravitation und Zentrifugalbeschleunigung. Durch Messen des Rollwinkels über
der Reifenbreite wird der Neigungswinkel zu der Richtung der Gravitation über
einen Proportionalitätsfaktor direkt bestimmt. Damit wird es möglich, etwa die
Drehlage des Fahrscheinwerfers eines Zweirades unabhängig von der
Kurvenneigung stets horizontal zu regeln und die Fahrsicherheit aktiv zu erhöhen.
Oder bei vierrädrigen Fahrzeugen können Steigung und Gefälle als Regelgröße
für ein Getriebemanagement bestimmt werden oder Querneigungen der Straße
und des Geländes zugunsten des Fahrkomforts oder einer Kippsicherung
ausgeglichen werden.
Oder bei Flugzeugen wird etwa die Längsneigung des Rumpfes direkt bestimmt
und auf einen wählbaren Wert geregelt und so der Flug gegen dynamische
Störeinflüsse stabilisiert.
Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Teilen durch den Patentanspruch
(1) gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung ergeben
sich aus den Maßnahmen in den abhängigen Ansprüchen.
Die erfindungsgemäße Anordnung von zwei oder mehreren Beschleunigungs
sensoren in einer Ebene senkrecht zu einer Längs- oder Querachse eines Gerätes
oder Fahrzeugs hat im Vergleich zu bislang bekannten Lösungen den Vorteil, daß
der Neigungswinkel zur Richtung der Auflagekraft, in den meisten Fällen der
Gravitation, unabhängig von anderen Beschleunigungen bestimmt, und daß
zusätzlich die Querbeschleunigung bestimmt werden kann.
Weiterhin ist es von Vorteil, daß die zusätzliche Karosserieneigung (Rollwinkel)
von Zweirädern zur Richtung der Resultierenden aus Gravitation und Zentrifugal
beschleunigung, die aus dem Abrollen des Aufsetzpunktes über der Breite der
Reifen resultiert, wenn das Zweirad in eine Kurve geneigt wird, direkt und
unabhängig von Bodenwellen und anderen dynamischen Fahrbahneinflüssen
gemessen werden kann. Weil dieser Rollwinkel proportional zur Kurvenneigung
des Zweirades ist, wird damit die Kurvenneigung eines Motorrades oder ähnlichen
Zweirades nach Betrag und Richtung bestimmt.
Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, mittels eines oder mehrerer Gyro
sensoren, angeordnet senkrecht zu dieser Ebene, den Proportionalitätsfaktor
zwischen Kurvenneigung und zusätzlicher Karosserieneigung dynamisch zu
messen, weil dieser Faktor von der Breite der Reifen und der Höhe des
Schwerpunktes abhängt und in gewissen Grenzen variabel ist.
Dieser Rollwinkel kann mit breiten Reifen bis zu 10° erreichen und der Neigungs
winkel ist dann etwa um den Faktor 4 bis 7 größer.
Weitere Vorteile sowie Einzelheiten der Vorrichtung ergeben sich
aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele anhand der
beiliegenden Figuren.
Dabei zeigt
Fig. 1 das Koordinatensystem der Sensoranordnung;
Fig. 2 eine Ausführungsform der Sensoranordnung;
Fig. 3 eine weitere Ausführungsform der Sensor
anordnung;
Fig. 4 eine weitere Ausführungsform der Sensor
anordnung;
Fig. 5 die Geometrie des Abrollens über einem Motorradreifen;
Fig. 6 eine weitere, dreidimensionale Ausführungsform der
Sensoranordnung;
Fig. 7 einen elektrischen Stromlaufplan der Sensor
anordnung;
Fig. 8 eine weiter Ausführungsform der Sensor
anordnung;
In Fig. 1 ist das dreidimensionale Koordinatensystem der
Sensoranordnung dargestellt. Dabei bezeichnet y die Richtung der Gravitation g,
ay die entsprechende vertikale Beschleunigung, z eine horizontale Achse
orthogonal zu y, etwa die Querachse eines Fahrzeuges, az die Beschleunigung in
Richtung der Achse z, x die Achse, orthogonal zu y und z, etwa die Längsachse
eines Fahrzeuges, und ax die Beschleunigung in Richtung dieser Achse. Vy ist die
Achse der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die der Achse y entspricht, aber um
einen Winkel ϕ in der Ebene y, z gegen y gedreht ist. Vz ist die entsprechende
Achse, die mit der Achse z korrespondiert und Vx ist die Achse der
Vorrichtung, die der Achse x entspricht und in der Ebene y, x
um den Winkel δ gedreht ist.
Fig. 2 ist eine erste Ausführungsform der Sensoranordnung
dreidimensional dargestellt. In ein Gehäuse 1 sind zwei zueinander orthogonal
messende Beschleunigungssensoren A und B integriert. Dabei nimmt der
Beschleunigungsaufnehmer A zu der Geräteachse Vy den Meßwinkel α und der
Sensor B den Meßwinkel β ein. Die Geräteachse Vy ist um den Neigungswinkel ϕ
gegen die Richtung der Gravitation g gedreht.
Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform der Sensor
anordung. Zwei diskrete Beschleunigungssensoren 2, 3 sind in der Ebene Vy-Vz
angeordnet und um den Meßwinkel α, bzw. β gegen Vy gedreht, während die
gesamte Anordnung um den Neigungswinkel ϕ gegen die Richtung der Gravitation
g gedreht ist. Der Gyrosensor 4 registriert Veränderungen des Neigungswinkels ϕ
um die Achse x.
In Fig. 4 ist eine weitere Ausführungsform der
Sensoranordnung dreidimensional dargestellt. Dabei sind die Beschleunigungs
sensoren 2, 3 jeweils auf zwei zueinander parallelen Ebenen angeordnet, wie dies
etwa der Vorder- und Rückseite einer Leiterplatte entspricht.
Fig. 5 zeigt zweidimensional die Geometrie beim Abrollen über den
Fahrzeugreifen 7 eines Zweirades. Bei einer Kurvenneigung um den Winkel γ
wandert der Auflagepunkt der senkrechten Fahrt P1 über dem Radius r des
Reifens 7 in den neuen Auflagepunkt P2. Mit einer horizontalen Verschiebung m
und einer vertikalen Verschiebung n entspricht dies dem Rollwinkel ϕ bei
gegebener Höhe h des Schwerpunktes S. Die Gerade P1-S entspricht hierbei der
Geräteachse Vy.
In Fig. 6 ist eine weitere Ausführungsform der Sensor
anordnung dreidimensional dargestellt. Zweidimensional messende
Beschleunigunssensoren 1, 5, 6 sind auf den zueinander orthogonalen Ebenen
Vz-Vy, Vy-Vx und Vx-Vz angeordnet und in der Ebene Vz-Vy um den
Neigungswinkel ϕ gegen g und in der Ebene Vy-Vx um den Neigungswinkel δ
gegen g gedreht.
Fig. 7 zeigt einen Stromlaufplan der Sensoranordnung. Ein
Mikrokontroller 8 mißt die pulsweitenmodulierten oder analogen Signale des
Beschleunigungssensors 2 und wandelt die analogen oder pulsweitenmodulierten
Signale des Beschleunigunssensors 3 und Gyrosensors 4 mit dem integrierten
Analog/Digitalwandler. Nach der Umrechnung werden die Ergebnisse, der
Neigungswinkel ϕ, die Querbeschleunigung az und die Vertikalbeschleunigung ay
analog oder digital, pulsweitenmoduliert oder seriell codiert an dem Steckverbinder
9 elektrisch zur Weiterverarbeitung ausgegeben.
Fig. 8 zeigt in zweidimensionaler Darstellung eine weitere Ausführungsform der
Sensoranordnung. Der zweidimensional messende
Beschleunigungssensor 1 ist in der Ebene Vy-Vz angeordnet und um den
Meßwinkel α1 gegen die Achse Vy gedreht. Ein oder mehrere weitere
Beschleunigunssensoren 10 sind ebenfalls in dieser Ebene angeordnet und um
den von α1 verschiedene Meßwinkel α2 gegen die Achse Vy gedreht.
In Fig. 2 besteht ein Neigungswinkel ϕ, ungleich 0°, und der Neigungswinkel δ
beträgt 0°, so daß sich folgende Gleichungen für die Meßwerte A, B des
Beschleunigungsaufnehmers 1 ergeben:
A = (g + ay).cos(α - ϕ) + az.sin(α - ϕ) (1)
B = (g + ay).cos(-β + ϕ) + az.sin(-β + ϕ) (2)
In vielen Anwendungen, etwa einem Motorrad, kann angenommen werden, daß
bei gleichförmiger Fahrt die Querbeschleunigung az
az = 0; (3)
und
dγ/dt = 0; (4)
gilt und der Neigungswinkel ϕ unabhängig von ay bestimmt werden kann. Dies
erfolgt, indem (3) in die Gleichungen (1), (2) eingesetzt, der Quotient von (2) und
(3) gebildet und der Term (g + ay) gekürzt wird:
A/B = cos(α - ϕ)/cos(-β + ϕ); (5)
Die Unabhängigkeit der Messung von der Vertikalbeschleunigung ay wird deutlich,
jedoch kann der Neigungswinkel ϕ nur mittelbar bestimmt werden.
Für den ganzen zulässigen Winkelbereich von ϕ werden alle möglichen Lösungen
mit einer Schrittweite von 0,1° mit den konstruktiv festgelegten Winkeln α, β im
voraus berechnet und in einer Tabelle des Mikrokontrollers 8 abgelegt. Für einen
zulässigen Bereich von +10° bis -10° reichen damit 200 Werte für die geforderte
Genauigkeit aus.
Nach der Messung wird nun der Quotient aus A und B mit den Einträgen der
Tabelle verglichen und so der Neigungswinkel ϕ unabhängig von ay bestimmt.
Dabei können die Beschleunigungssensoren A, B in einer integrierten Sensor
anordnung 1 ausgeführt sein, aber auch getrennt auf zueinander parallelen
Ebenen E1, E2 gemäß Fig. 4 angeordnet sein.
Darüber hinaus erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Meßwinkel α, β
unterschiedlich groß, also nicht symmetrisch sind, etwa um den Wertebereich der
Lösungen ein wenig von dem Wert 1 für ϕ = 0° zu verschieben.
Im Falle des Motorrades entspricht der so bestimmte Neigungswinkel ϕ dem
Rollwinkel ϕ gemäß Fig. 5. Die wahre Kurvenneigung γ des Zweirades, die dem
Winkel zwischen Fahrzeughochachse y und der Richtung der Gravitation G
entspricht, ergibt sich aus der Beziehung:
γ = k.ϕ; (6)
Der Proportionalitätsfaktor k ist konstruktiv bedingt und wird wesentlich von der
Lage des Schwerpunktes und der Reifenbreite bestimmt.
Des weiteren wird der Gyrosensor 4 gezeigt, der parallel zur Fahrzeuglängsachse
x angeordnet ist und dynamisch die Kurvenneigung γ registriert. Durch Integration
über die Meßwerte wird die Winkeländerung der Kurvenneigung γ zwischen zwei
Zeitpunkten t1 und t2 bestimmt:
Δγ = Σdγ von t1 bis t2; (7)
Wird t1 so gewählt, daß zu diesem Zeitpunkt γ(t1) = 0° ist, so entspricht Δγ der
Kurvenneigung γ und der Proportionalitätsfaktor k wird durch Einsetzen in,
Gleichung (6) wie folgt bestimmt:
K = γ/ϕ(t2); (8)
Weil der Proportionalitätsfaktor nur durch die Zuladung wesentlich verändert wird,
genügt es, diesen gelegentlich zu bestimmen.
Zusätzlich wird mit dem Gyrosensor entsprechend Gleichung (4), die Gleich
förmigkeit der Drehrate während des Neigens in die Kurve mit d2γ/dt2 = 0
registriert und so bewertet, wann die Querbeschleunigung az tatsächlich gleich
Null ist.
Somit gelingt es, die Kurvenneigung γ eines Motorrades durch die direkte
Messung des Rollwinkels ϕ unabhängig von Quer- oder Vertikalbeschleunigung zu
bestimmen und gemäß Gleichung (8) bei Bedarf zu kalibrieren.
Ein weiterer Ansatz zur Nutzung der Sensoranordnung zur
Bestimmung der Querbeschleunigung az beruht darauf, daß die momentane
Vertikalbeschleunigung ay verschieden von Null ist, im zeitlichen Mittel jedoch
gleich Null ist, weil keine oder eine nur sehr geringe Höhenänderung y erfolgt, wie
dies etwa bei Schiffen und Automobilen zutrifft.
Durch Umformen der Gleichungen (1), (2) erhält man
ay = (B - az.sin(β - ϕ))/cos(β - ϕ) - g; (9)
az = (A.cos(β - ϕ) - B.cos(α - ϕ))/(sin(β - ϕ).cos(α - ϕ) - sin(α - ϕ).cos(β - ϕ)); (10)
mit den Unbekannten ϕ, az und ay und löst dieses Gleichungssystem für alle
Neigungswinkel ϕn im zulässigen Lösungsbereich, z. B. von -20° bis + 20° mit einer
Schrittweite von 0,1° für ϕn, und erhält so eine Lösungsmenge von 400 Lösungen
im Beispiel. Wurde vorher bereits eine Lösung bestimmt, so kann der Suchbereich
eingeschränkt werden.
Mit der Feststellung, daß die Vertikalbeschleunigung
Σay(t) = 0 (11)
für ein Fahrzeug im zeitlichen Mittel gleich Null ist, wird aus der Lösungsmenge
die eindeutige Lösung bestimmt, auf welche ay = 0 zutrifft, und man erhält damit
einen Wert für den Neigungswinkel ϕ und die Querbeschleunigung az zu einem
Zeitpunkt t.
Durch das Mitteln über mehrere, aufeinanderfolgende Lösungen für den
Neigungswinkel ϕ(t) und die Querbeschleunigung az(t) wird der momentane
Störeinfluß von ay(t) eliminiert und die Werte ϕ und az bestimmt.
Das Anbringen eines oder mehrerer zusätzlicher Beschleunigungssensoren 10 in
der Vertikalebene Vy-Vz gemäß Fig. 8 mit von α, β verschiedenen Meßwinkeln,
ermöglicht entsprechend dem Gleichungssystem (1), (2) das Aufstellen weiterer
Gleichungssysteme und das Berechnen von entsprechenden Lösungen.
Dies ist vorteilhaft, um Unstetigkeiten der ursprünglichen Sensoranordnung 1 zu
vermeiden und darüber hinaus temperaturbedingte Driften der Beschleunigungs
sensoren zu bestimmen.
Wird mit einem Gyrosensor 4 senkrecht zur Vertikalebene Vy-Vz die Änderung
des Neigungswinkels
Δϕ = ϕ(t = n) - ϕ(t = n - 1) (13)
zwischen zwei aufeinanderfolgenden Messungen bestimmt, so kann die
Plausibilität der Lösungsmenge der Gleichungen (9), (10) zusätzlich bewertet
werden, indem gilt, daß die Winkeländerung zwischen früherer (t = n - 1) und neuer
Lösung (t = n) gleich dieser Winkeländerung (13) sein muß.
Hierbei ist vorteilhaft, daß über die Drehrate nur für kurze Zeit integriert wird und
systemimmanente Driften einen sehr geringen Einfluß haben.
In einer weiteren Ausführungsform der Sensoranordnung
gemäß Fig. 6 sind die Paare von Beschleunigungssensoren 1, 5, 6 auf drei
zueinander orthogonalen Ebenen Vz-Vy, Vy-Vx und Vx-Vy angeordnet. Analog zu
den Gleichungen (9), (10) kann für jedes Paar der Beschleunigungssensoren 1, 5,
6 ein Gleichungssystem unter Einbeziehen der Neigungswinkel ϕ und δ und den
unbekannten Beschleunigungen ay, az, ax aufgestellt werden.
Diese Gleichungssysteme sind überbestimmt und linear abhängig. Doch kann dies
benutzt werden, um ausgehend von der Lösung ϕ(x), az(ϕ(x)) mit ay = 0 für die
Gleichungen (9) (10) in der Vertikalebene Vy-Vz, die Beschleunigung ax in der
Ebene Vy-Vx zu bestimmen, wobei die Lösung sich dadurch auszeichnet, daß der
in beiden Ebenen ermittelte Wert für die Beschleunigung az übereinstimmen muß.
Gibt es dann in der Vertikalebene Vz-Vx ebenfalls eine Lösung für ax und az, die
mit den Lösungen der anderen Ebenen übereinstimmt, kann dies als Kontrolle für
die Korrektur z. B. thermischer Fehlereinflüsse genutzt werden.
Claims (10)
1. Vorrichtung zur Messung des Neigungswinkels (ϕ) gegen die Richtung der
Gravitation oder der Richtung der resultierenden Aufstandskraft und
unabhängig davon der Bestimmung einer dazu orthogonalen Beschleunigung
(az), enthaltend eine Sensoranordnung (2), (3) und elektrisch leitend
verbunden eine Auswerteeinheit (8), dadurch gekennzeichnet, daß die
Sensoranordnung zwei Beschleunigungssensoren (2), (3) aufweist, die beide
parallel zu einer bestimmten Vertikalebene (Vy-Vz) senkrecht zur Achse (Vx)
angeordnet sind und beide bezogen auf die Achse (Vz) von 0° verschiedene
Meßwinkel (α), (β) einnehmen, wobei die Auswerteeinheit (8) anhand der
gemessenen unterschiedlichen Beschleunigungen (A), (B) den
Neigungswinkel (ϕ) und die Beschleunigung (az) berechnet.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beträge der
Meßwinkel (α), (β) der Beschleunigungssensoren (2), (3) nicht gleich groß
sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
Beschleunigungssensoren (2), (3) auf zwei zueinander parallelen
Vertikalebenen (Vy1-Vz1) und (Vy2-Vz2) angeordnet sind.
4. Vorrichtung nach wenigstem einem der vorgenannten Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Beschleunigungssensoren (2), (3) auch in einem
Bauteil (1) integriert sind.
5. Vorrichtung nach wenigstem einem der vorgenannten Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß in dieser bestimmten Vertikalebene (Vy-Vz) weitere
Beschleunigungssensoren (10) angebracht sind und dabei von den
Meßwinkeln (α) und (β) verschiedene Meßwinkel einnehmen.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß
wenigstens ein Gyrosensor (4) derart angebracht wird, daß seine Ausrichtung
senkrecht zu der bestimmten Vertikalebene (Vy-Vz) und parallel zu der Achse
(Vx) ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß
diese bestimmte Vertikalebene (Vy-Vz) sich in Querrichtung eines
Meßgerätes, Befehlsgerätes oder Fahrzeuges erstreckt, wie etwa einem
Automobil, Lastkraftwagen, Zweirad, Flugzeug, Hubschrauber oder Schiff.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß
diese bestimmte Vertikalebene (Vy-Vz) sich in Längsrichtung eines
Meßgerätes, Befehlsgerätes oder Fahrzeuges erstreckt, wie etwa einem
Automobil, Lastkraftwagen, Zweirad, Flugzeug, Hubschrauber oder Schiff.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß
diese bestimmte Vertikalebene (Vy-Vz) sich in der Horizontalrichtung eines
Meßgerätes, Befehlsgerätes oder Fahrzeuges erstreckt, wie etwa einem
Automobil, Lastkraftwagen, Zweirad, Flugzeug, Hubschrauber oder Schiff.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß
die Beschleunigungssensoren (1), (5), (6) auf zueinander orthogonalen
Ebenen angebracht sind.
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Publications (2)
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DE2000139978 Revoked DE10039978C2 (de) | 2000-08-16 | 2000-08-16 | Vorrichtung zum Messen des Neigungswinkels und/oder der Beschleunigung |
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