DE10039978C2 - Vorrichtung zum Messen des Neigungswinkels und/oder der Beschleunigung - Google Patents

Vorrichtung zum Messen des Neigungswinkels und/oder der Beschleunigung

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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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