DE102004009417A1

DE102004009417A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen des Längsneigungswinkels eines Fahrzeugs

Info

Publication number: DE102004009417A1
Application number: DE200410009417
Authority: DE
Inventors: Klaus Schiffner
Original assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Current assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Priority date: 2004-02-24
Filing date: 2004-02-24
Publication date: 2005-09-08

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen des Längsneigungswinkels (α) eines Fahrzeugs (210).
Das Verfahren wird so durchgeführt, dass
a. an einem ersten Ort (P₁) und an einem zweiten Ort (P₂) Höheninformationen (h₁, h₂) ermittelt und physikalische Höhen (H₁, H₂) aus den ermittelten Höheninformationen (h₁, h₂) abgeleitet werden,
b. eine Entfernung (d) zwischen dem ersten und dem zweiten Ort (P₁, P₂) bestimmt wird,
c. eine Höhendifferenz (ΔH) aus den physikalischen Höhen (H₁, H₂) ermittelt wird und
d. anhand der Höhendifferenz (ΔH) und der Entfernung (d) zwischen dem ersten und dem zweiten Ort (P₁, P₂) ein einem Gefälle zwischen beiden Orten (P₁, P₂) entsprechender Neigungswinkel (α) bestimmt und mit dem Längsneigungswinkel (α) des Fahrzeugs (210) identifiziert wird.
Die Erfindung betrifft zudem eine Vorrichtung zum Bestimmen des Längsneigungswinkels (α) eines Fahrzeugs (210).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen eines Längsneigungswinkels eines Fahrzeugs.
In der Fahrzeugtechnik sind unter der Bezeichnung HDC (Hill Descent Control), HSA (Hill Start Assistant), AVH (Active Vehicle Hold) und Hill-Holder-System Einrichtungen bekannt, die ein Fahrzeug auf einer Gefällstrecke durch ein automatisches Betätigen der Bremsen im Stillstand oder auf einer konstanten Geschwindigkeit halten und/oder den Fahrer bei einem Anfahren auf einer geneigten Fahrbahn unterstützen. Als Eingangsgröße verwenden die Regelsysteme dieser Einrichtungen den Neigungswinkel der Fahrbahn bzw. den Längsneigungswinkel des Fahrzeugs, um einen die Hangneigung kompensierenden Bremsdruck bestimmen zu können.
Der Neigungswinkel wird bei bekannten Verfahren mit Hilfe von Beschleunigungssensoren bestimmt, aus dem für eine Verzögerung des Fahrzeugs aufgebrachten Bremsdruck berechnet oder durch einen Neigungssensor gemessen.
Die Beschleunigungssensoren ermöglichen es, die Hangabtriebsbeschleunigung a zu ermitteln, die durch die Beziehung a = g sin(α) mit dem Neigungswinkel α verknüpft wird, wobei g die Erdbeschleunigung bezeichnet.
Zur Bestimmung der Hangabtriebsbeschleunigung eines sich bewegenden Fahrzeugs ist dabei eine Erfassung von Messwerten durch mindestens zwei Beschleunigungssensoren erforderlich, da die Hangabtriebsbeschleunigung sich als Differenz aus der Gesamtbeschleunigung des Fahrzeugs in seiner Längsrichtung und der Längsbeschleunigung aufgrund der Winkelbeschleunigung seiner Räder ergibt. Es werden also mindestens ein Längsbeschleunigungssensor und ein Sensor zur Erfassung der Winkelbeschleunigung der Räder benötigt.
Die Verfahren, welche den Neigungswinkel aus Beschleunigungswerten ermitteln, erfordern also, ebenso wie die Verfahren bei denen der Neigungswinkel direkt durch einen Neigungssensor gemessen wird, eine aufwendige Sensorik.
Die Berechnung des Neigungswinkels aus dem für eine Verzögerung des Fahrzeugs aufgebrachten Bremsdruck kann nur dann durchgeführt werden, wenn das Fahrzeug tatsächlich über eine ausreichend lange Strecke verzögert wird. Der Neigungswinkel kann somit erst eine gewisse Zeitspanne nach dem Erreichen eines Gefälles erfasst werden. Der für eine Verzögerung aufgebrachte Bremsdruck hängt zudem vom Reibwert ab.
Ferner werden auch bei diesem Verfahren bordeigene Sensoren zur Bestimmung des Längsneigungswinkels benötigt, so dass auch dieses Verfahren bei einem Ausfall oder einer Fehlfunktion von Sensoren nicht durchgeführt werden kann.
Zudem besteht zur Erhöhung der Fahrzeugsicherheit das Bestreben, vorhandene Sensoren redundant auszuführen, oder deren Messwerte durch Plausibilitätstests zu überprüfen.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Bestimmung des Neigungswinkels eines Fahrzeugs mit möglichst geringem Aufwand durchzuführen und auch bei einem Fehlen oder einem Ausfall von Beschleunigungs- oder Neigungssensoren zuverlässig vorzunehmen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren nach dem Patentanspruch 1 gelöst.
Die Aufgabe wird ferner durch eine Vorrichtung nach dem Patentanspruch 12 gelöst.
Die Erfindung sieht vor, dass ein Verfahren zum Bestimmen des Neigungswinkels eines Fahrzeugs durchgeführt wird, bei dem an einem ersten und an einem zweiten Ort Höheninformationen ermittelt und physikalische Höhen aus den ermittelten Höheninformationen abgeleitetet werden. Es wird eine Höhendifferenz zwischen der Höhe des ersten und des zweiten Ortes bestimmt und eine Entfernung zwischen den beiden Orten ermittelt. Anhand der Höhendifferenz und der Entfernung zwischen dem ersten und dem zweiten Ort wird dann ein einem Gefälle zwischen beiden Orten entsprechender Neigungswinkel bestimmt, der mit dem Neigungswinkel des Fahrzeugs identifiziert wird.
Es wird somit ein Verfahren zur Verfügung gestellt, dass eine Bestimmung des Neigungswinkels eines Fahrzeugs gestattet, ohne auf Messwerte von Beschleunigungs- oder Neigungssensoren am Fahrzeug zurückzugreifen.
Bei Fahrzeugen, die nicht mit derartigen Sensoren ausgerüstet sind, kann die Längsneigung des Fahrzeugs anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens mit Hilfe eventuell vorhandenen Systemen bestimmt werden.
Bei vorhandener Sensorik könnte zusätzlich eine sensorenunabhängige Längsneigungswinkelbestimmung vorgenommen und mit der sensorenabhängigen Bestimmung abgeglichen werden. Die bordeigenen Sensoren, deren Messwerte insbesondere auch als Eingangsgrößen für aktive Fahrsicherheitssysteme dienen, können auf diese Weise laufend überwacht werden, indem der zusätzlich anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmte Längsneigungswinkels mit dem aus den Messwerten der Sensoren bestimmten Wert dieses Winkels verglichen wird. Dies ist insbesondere von sicherheitsrelevantem Interesse, da die Messwerte der Sensoren als Eingangsgrößen für aktive Fahrsicherheitssysteme dienen.
In einer bevorzugten Durchführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Höheninformationen zeitlich versetzt ermittelt. Dabei wird vorzugsweise zunächst eine Höheninformation an einem ersten von einem Fahrzeug erreichten Ort und dann eine Höheninformation an einem zweiten von dem Fahrzeug zu einem späteren Zeitpunkt erreichten Ort ermittelt. Der dem Gefälle zwischen dem ersten und dem zweiten erreichten Ort entsprechende Neigungswinkel wird dann mit dem Längsneigungswinkel des Fahrzeugs an dem zweiten Ort identifiziert.
Damit wird für ein sich bewegendes Fahrzeug nur ein Mittel zur Bestimmung von Höheninformationen benötigt.
In einer ebenfalls bevorzugten Durchführungsform des Verfahrens werden die Höheninformationen an dem ersten und an dem zweiten Ort gleichzeitig ermittelt, wobei die Orte sich vorzugsweise innerhalb des Fahrzeugs befinden. Bei dieser Durchführungsform sind zwei Mittel zum Bestimmen von Höheninformationen erforderlich.
Es ist weiterhin bevorzugt, die Höheninformationen an dem ersten und dem zweiten Ort mit Hilfe eines Höhenmessers zu ermitteln.
In einer weiteren sehr vorteilhaften Durchführungsform des Verfahrens ist es vorgesehen, dass Funksignale empfangen und die Höheninformationen anhand der Funksignale ermittelt werden.
Dabei werden vorzugsweise Funksignale eines Satellitennavigationssystems empfangen. Insbesondere handelt es sich dabei um die Funksignale des NAVSTAR GPS (Navigation System with Time and Ranging Global Positioning System) oder kurz GPS.
Antennen zum Empfangen von GPS-Funksignale und Empfänger zu ihrer Verarbeitung und Auswertung sind bereits in vielen Fahrzeugen vorhanden und werden für die Positionsbestimmung durch ein Navigationssystem verwendet.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können die Höheninformationen des GPS vorteilhaft zur Bestimmung des Längsneigungswinkels eines Fahrzeugs genutzt werden. Die Erfindung ermöglicht es somit, bereits in einem Fahrzeug vorhandene Systeme weitergehend zu nutzen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem Satellitennavigationssystem um ein differentielles GPS (DGPS), das eine höhere Genauigkeit in der Orts- und Höhenbestimmung ermöglicht.
Allgemein ist darauf hinzuweisen, dass trotz der Positionsfehler von GPS oder DGPS, die derzeit in einem Bereich von mindestens 1 bis 2 m liegen, eine recht genaue Bestimmung von Höhen- und Positionsunterschieden möglich ist. Dies ist darauf zurückzuführen, dass es sich bei den Ungenauigkeiten hervorrufenden Einflüssen um systematische Einflüsse handelt, die sich nur gering mit der Zeit und dem Ort ändern.
Das erfindungsgemäße Verfahren basiert ausschließlich auf der Bestimmung von Entfernungen und Höhendifferenzen, die durch systematische Fehler weit weniger beeinflusst werden als absolute Größen, und ermöglicht somit eine recht genaue Bestimmung des Längsneigungswinkels.
Die durch GPS oder DGPS direkt gelieferten Koordinaten für einen Ort, also insbesondere auch die Höheninformationen, beziehen sich auf ein ellipsoidisches Bezugssystem. Das von GPS und DGPS verwendete Koordinatensystem basiert dabei derzeit auf dem Referenzellipsoid WGS84 (World Geodetic System 1984).
Aus den GPS-Funksignalen werden somit rein geometrische Höheninformationen ermittelt, die nicht mit physikalischen Höhen übereinstimmen, die auf die Äquipotentialflächen des Schwerefeldes der Erde bezogen sind.
Für die Bestimmung des Neigungswinkels eines Fahrzeugs ist es daher besonders vorteilhaft, dass aus den mit dem GPS gemessenen ellipsoidischen Höheninformationen physikalische Höhen ermittelt werden, die beispielsweise als orthometrische Höhen oder Normalhöhen angegeben werden. Diese Höhen sind auf ein Geoid oder ein Quasigeoid bezogen.
Es ist bei der Durchführung des Verfahrens somit besonders bevorzugt, dass aus den ermittelten Höheninformationen orthometrische Höhen oder Normalhöhen für den ersten und für den zweiten Ort abgeleitet werden.
Aus den so gewonnenen Höhen des ersten und des zweiten Orts lässt sich das Gefälle zwischen dem ersten und dem zweiten Ort und der diesem Gefälle entsprechende Neigungswinkel bestimmen, falls die Entfernung zwischen den beiden Orten bekannt ist.
Zur Bestimmung der Entfernung zwischen den beiden Orten ist es im Falle einer zeitversetzten Positionsbestimmung besonders vorteilhaft, dass diese aus der Differenz der anhand der Funksignale an dem ersten und an dem zweiten Ort bestimmten Positionen ermittelt wird. Es ist jedoch gleichfalls möglich, die Entfernung etwa mit Hilfe von Raddrehzahlsensoren zu bestimmen.
Im Falle einer gleichzeitigen Höhenbestimmung mit zwei in dem Fahrzeug angebrachten Mitteln zur Höhenbestimmung entspricht die Entfernung dem Abstand der Mittel und ist somit bekannt.
Der dem Gefälle zwischen dem ersten und dem zweiten Ort entsprechende Neigungswinkel α ergibt sich aus der Beziehung sin(α) = ΔH/d, wobei mit ΔH die Differenz der physikalischen Höhen des ersten und des zweiten Ortes und mit d die Entfernung zwischen beiden Orten bezeichnet wird.
Durch die Erfindung wird ferner eine Vorrichtung zum Bestimmen des Längsneigungswinkels eines Fahrzeugs geschaffen. Die Vorrichtung beinhaltet wenigstens zwei Antennen zum Empfangen von Funksignalen, ein Mittel zum Bestimmen der physikalischen Höhen der Antennen anhand der Funksignale, ein Mittel zum Berechnen einer Höhendifferenz zwischen den Antennen und ein Mittel zum Bestimmen eines einem Gefälle entsprechenden Winkels.
In einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei den Antennen um Antennen zum Empfangen von Funksignalen eines Satellitennavigationssystems. Die Antennen sind dabei Teil eines Empfängers für Signale eines Satellitennavigationssystems bzw. mit dem Empfänger verbunden.
In einer Ausführungsform der Vorrichtung weisen die Antennen bei verschwindendem Längsneigungswinkel des Fahrzeugs gleiche physikalische Höhen auf. Dadurch kann die Höhendifferenz bei einem nicht verschwindenden Neigungswinkel besonders einfach bestimmt werden.
Der derart bestimmte Längsneigungswinkel kann dazu dienen, Fahrzeugparameter in seiner Abhängigkeit zu verändern.
So kann etwa der Bremsdruck in Abhängigkeit der bestimmten Längsneigungen dem Gefälle angepasst werden.
Der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bestimmte Längsneigungswinkel kann somit in vorteilhafter Weise als Eingangsgröße für ein HDC-, HSA-, AVH und/oder Hill-Holder-System genutzt werden.
Es ist jedoch ebenfalls vorteilhaft, den ermittelten Neigungswinkel oder das zugehörige Gefälle dem Fahrer des Fahrzeugs durch ein Anzeigemittel anzuzeigen.
Dies ermöglicht es insbesondere, den Fahrer zu warnen, falls der Längsneigungswinkel einen bestimmten kritischen Wert überschreitet.
Zudem ist es vorteilhaft, den anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmten Längsneigungswinkel mit einem anhand von Messwerten von Beschleunigungs- oder anderen Sensoren bestimmten Längsneigungswinkel zu vergleichen, um die Funktion der Sensoren zu überprüfen.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Figuren.
Von den Figuren zeigt
1 eine schematische Veranschaulichung des Zusammenhangs zwischen ellipsoidischer und physikalischer Höhe und
2 eine schematische Veranschaulichung der Ermittlung der Längsneigung eines Fahrzeugs aus den bestimmten Größen.
Die vorliegende Erfindung schafft ein neuartiges und vorteilhaftes Verfahren mit dem der Längsneigungswinkel α eines Fahrzeugs 210 bestimmt werden kann.
In einer Durchführungsform des Verfahrens wird er anhand eines von dem Fahrzeug 210 überwundenen Höhenunterschiedes ΔH und einer Länge d einer von dem Fahrzeug 210 zurückgelegten Wegstrecke ermittelt.
Eine andere Durchführungsform sieht vor, dass der Höhenunterschied ΔH und die Entfernung d zwischen zwei Punkten P₁ und P₂ innerhalb des Fahrzeugs 210 bei dem Verfahren zugrunde gelegt werden.
Der überwundene Höhenunterschied ΔH und die zurückgelegte Wegstrecke d werden in einer bevorzugten Durchführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durch den Vergleich der mit Hilfe eines Satellitennavigationssystems bestimmten Positionen P₁ am Anfang und P₂ am Ende der betrachteten Wegstrecke der Länge d bestimmt.
Es ist jedoch ebenfalls möglich, dass zumindest die zurückgelegte Entfernung d aus Messwerten von Raddrehzahlsensoren des Fahrzeugs 210 bestimmt wird. Zur Bestimmung der Höhen H₁ und H₂ an dem ersten Ort P₁ und dem zweiten Ort P₂ kann ebenfalls ein konventioneller Höhenmesser, beispielsweise ein barometrischer Höhenmesser, eingesetzt werden.
Die Bestimmung mit Hilfe des Satellitennavigationssystems ist jedoch bevorzugt und ermöglicht es, das Verfahren unabhängig von Messwerten durchführen zu können, die von Sensoren am Fahrzeug 210 geliefert werden. Ferner lässt sich der Längsneigungswinkel a unter Verwendung eines Satellitennavigationssystems potentiell mit der größten Genauigkeit ermitteln.
In einer sehr bevorzugten Durchführungsform des Verfahrens wird das Satellitennavigationssystem GPS zur Bestimmung der Koordinaten des ersten Ortes P₁ und des zweite Ortes P₂ und insbesondere zur Ermittlung von Höheninformationen für den ersten Ort P₁ und den zweiten Ort P₂ genutzt.
Die folgende ausführliche Beschreibung dieser Durchführungsform ist dabei nur beispielhaft und nicht einschränkend zu verstehen. Insbesondere kann das Verfahren auch anhand anderer Navigationssysteme, wie beispielsweise anhand des geplanten europäischen Satellitennavigationssystems GALILEO durchgeführt werden. Grundsätzlich kommt aber jede Einrichtung zur Ermittlung von Höheninformationen in Betracht.
Das GPS beinhaltet mindestens 24 Satelliten, welche die Erde in einer Höhe von ca. 20200 km während ca. 12 Stunden umrunden. Das Raumsegment des GPS ist dabei so angelegt, dass an jedem Ort der Erde zu jeder Zeit mindestens vier Satelliten über einem Elevationswinkel von mindestens 15° "sichtbar" sind.
Die Satelliten senden permanent zwei im L-Band liegende Trägerwellen L1 und L2 mit Frequenzen von 1575,42 MHz und 1227,60 MHz aus. Der L1-Trägerwelle sind zwei Codes, der C/A (Coarse/Aquisition)-Code und der P (Precision)-Code, aufmoduliert, die L2-Trägerwelle enthält nur den P-Code. Die Modulationsfrequenz beträgt 1,023 MHz für den C/A-Code und 10,23 MHz für die P-Codes. Bei den Codes handelt es sich um Pseudozufallscodes mit einem 128 bit- Muster.
Die P-Codes sind verschlüsselt, und ihre Entschlüsselung ist bislang militärischen Empfängern vorbehalten, wobei die höhere Modulationsfrequenz der P-Codes eine höhere Genauig keit in der Positionsbestimmung gestattet als anhand des zivil genutzten C/A-Codes erreicht werden kann.
Zur Bestimmung der Position werden von einem Empfänger Laufzeiten der Satellitensignale gemessen, aus denen die Entfernung zu dem jeweiligen Satelliten bestimmt wird. Die relative Position des Empfängers bezüglich der Satelliten ergibt sich dann anhand der Entfernungen zu mindestens drei Satelliten als Schnittpunkt von drei Kugelflächen deren jeweiliger Radius der Entfernung zu dem entsprechenden Satelliten entspricht. Aus den zu jeder Zeit bekannten Positionen der Satelliten bezüglich erdfester Bezugssysteme lässt sich die Position des Empfängers bzw. seiner Antenne bezüglich dieser Systeme ermitteln.
Die Laufzeit wird dabei aus der Phasendifferenz zwischen den in dem Satelliten und in dem Empfänger synchron generierten Pseudozufallscode bestimmt.
Die genaue Messung der Laufzeit erfordert somit eine präzise Synchronisation von Satelliten- und Empfängeruhren. Die Satelliten verfügen daher über synchronisierte, hochgenaue und redundant ausgeführte Atomuhren. Vor allem aus Kosten- und Dimensionierungsgründen werden GPS-Empfänger jedoch mit einfachen Quarzuhren ausgerüstet, die nicht die erforderliche Ganggenauigkeit aufweisen.
Daher werden von dem GPS-Empfänger die Signale von mindestens vier Satelliten simultan empfangen und zur Positionsbestimmung genutzt. Die vier Kugelflächen, deren Radien den Entfernungen zu den vier Satelliten entsprechen, schneiden sich nur dann genau in einem Punkt, wenn jede der vier Entfernungen exakt bestimmt ist. Die Uhr des Empfängers kann somit dadurch mit den Uhren der Satelliten synchronisiert werden, dass die Phase des anhand seiner Uhr durch den Empfänger generierten Codes solange verschoben wird, bis eine eindeutige Positionsbestimmung anhand von vier Satellitensignalen möglich ist.
Auf diese Weise wird mit dem GPS eine eindeutige Position des Empfängers bzw. der Antenne (220) des Empfängers bestimmt, die in Koordinaten eines geeigneten Bezugssystems angegeben werden kann.
Von dem GPS wird dabei ein ellipsoidisches Bezugssystem verwendet, das auf dem Referenzellipsoid WGS84 (110) basiert.
Damit geben die von dem GPS gelieferten Höheninformationen h die Höhe des Empfängers über dem Ellipsoid 110 an und stellen eine rein geometrische Höheninformation dar.
Die ellipsoidischen Höhen h haben keinen Bezug zum Schwerefeld der Erde und aus der Differenz der ellipsoidischen Höhen h von zwei Punkten kann keine Aussage über die Neigung eines an diesen Punkten aufliegenden Gegenstandes abgeleitet werden.
Der Begriff Neigung wird dabei in dem üblichen Sinne aufgefasst, dass er die Lage eines Gegenstandes bezüglich des Schwerefeldes der Erde angibt. Insbesondere ist unter der Längsneigung eines Gegenstandes an einem Ort der Winkel zwischen der Längsachse dieses Gegenstandes und der Äquipotentialfläche des Schwerefeldes der Erde an diesem Ort zu verstehen.
Das Vorliegen einer Neigung kann beispielsweise mit Hilfe einer Wasserwaage ermittelt werden, wodurch der Zusammenhang mit dem Schwerefeld der Erde besonders deutlich wird.
Zur Bestimmung der Längsneigung eines Fahrzeugs, wie sie durch das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt wird, wird somit eine Differenz zwischen physikalischen Höhen H benötigt, wobei unter einer physikalischen Höhe H eine auf das Schwerefeld der Erde bezogene Höheninformation zu verstehen ist.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden Höheninformationen für einen ersten Ort P₁ und einen zweiten Ort P₂ bestimmt.
Die ellipsoidischen Höheninformationen h für den ersten Ort P₁ und den zweiten Ort P₂ müssen dabei in physikalische Höhen H überführt werden, die in einem durch das Schwerefeld der Erde definierten Bezugssystem angegeben sind.
Üblicherweise basieren diese Bezugsysteme auf dem Geoid 120 oder dem Quasigeoid 130.
Die Beziehung zwischen ellipsoidischer Höhe h eines Punktes P und physikalischen Höhen H für diesen Punkt P sind in der 1 veranschaulicht.
Sie zeigt schematisch einen Geländeschnitt, in den die Oberfläche des Referenzellipsoids 110, das Geoid 120, das Quasigeoid 130, die Erdoberfläche 140 und die Meeresoberfläche 150 eingezeichnet sind.
Es sind ebenfalls die ellipsoidische Höhe h, die orthometrische Höhe H_o und die Normalhöhe H_N für den Punkt P schema tisch skizziert. Physikalische Höhen, d.h. insbesondere die orthometrische Höhe H_o und die Normalhöhe H_N, werden dabei unter dem Bezugszeichen H zusammengefasst.
Die ellipsoidische Höhe h des Punktes P ergibt sich als der Abstand des Punktes P von der Oberfläche des Referenzellipsoids 110. Sie wird direkt von dem GPS geliefert.
Das Geoid 120 ist diejenige Äquipotentialfläche des Erdschwerefeldes die durch die mittlere Meeresoberfläche 150 mit ihrer Fortsetzung unter den Kontinenten gebildet wird.
Der Abstand zwischen dem Geoid 120 und dem Referenzellipsoid 110 wird als Geoidundulation N bezeichnet. Die orthometrische Höhe H_o am Punkt P ergibt sich aus der Länge der Lotlinie zwischen dem Punkt P und dem Geoid 120. Somit gilt die Beziehung h = H_o + N.
Das Quasigeoid erhält man, indem man die Höhenanomalien ξ in Richtung der Normalen an den Referenzellipsoid 110 über diesem abträgt.
Die Normalhöhe H_N des Punktes P ergibt sich aus dem Abstand des Punktes P von dem Quasigeoid 130, der somit durch die Höhenanomalie ξ an dem Punkt P gegeben ist. Es gilt h = HN + ξ.
Das Geoid und das Quasigeoid ergeben sich als Lösung der geodätischen Randwertaufgabe, die zur Stoke'schen Integralgleichung führt. Die Lösung setzt die genaue Kenntnis möglichst globaler Datensätze mit Höhen- und Schwerefeldinformationen voraus. Globale Schwerefeldmodelle können dabei aus Satellitenbeobachtungen gewonnen werden. Anhand dieser Daten konnten bereits recht genaue lokale Formen für das Geoid 120 und das Quasigeoid 130 bestimmt werden.
Die genaueste auf derartigen Beobachtungen basierende Lösung für den europäischen Raum ist das Quasigeoid EGG97 (European Gravimetric Geoid 1997) des Instituts für Erdmessung der Universität Hannover, das im Bereich der Bundesrepublik Deutschland eine Genauigkeit von etwa 1 bis 5 cm aufweist.
Eine weiteres Verfahren zur Bestimmung des Geoids 120 und des Quasigeoids beruht auf dem GPS-Nivellement, bei dem für Punkte deren genaue physikalische Höhe H bekannt ist, genaue GPS- Messungen durchgeführt werden und Geoid- und Quasigeoidhöhen aus der Differenz zwischen der durch das GPS gelieferten ellipsoidischen Höhe h und der physikalischen Höhe H berechnet werden. Hier begrenzt die Genauigkeit der GPS-Messung die Genauigkeit der Lösung. Mit Hilfe sehr aufwendiger Verfahren kann dabei eine Genauigkeit im Subzentimeterbereich erreicht werden.
Die Differenz zwischen der orthometrischen Höhe H_o und der Normalhöhe H_N liegt im Bereich der Genauigkeit des Geoids 120 bzw. Quasigeoids 130.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung des Längsneigungswinkels α eines Fahrzeugs 210, bei dem eine physikalische Höhe H an einem ersten Ort P₁ und an einem zweiten Ort P₂ ermittelt wird, ist es somit besonders vorteilhaft, dass das Fahrzeug 210 mit einem GPS-Empfänger mit wenigstens einer Antenne 220 ausgerüstet ist und über ein Speichermittel verfügt, in dem das Geoid 120 und/oder das Quasigeoid 130 bzw. die Geoidundulation N und/oder die Höhenanomalie ξ gespeichert sind.
Weiterhin ist das Fahrzeug mit einem Mittel zur Berechnung der Differenz zwischen der Geoidundulation N und/oder der Höhenanomalie ξ und der ellipsoidischen Höhe h ausgestattet, um eine physikalische Höhe H zu ermitteln.
Der GPS-Empfänger sollte dabei eine möglichst genaue Positions- und Höhenbestimmung ermöglichen.
Die Genauigkeit gegenwärtig verwendeter ziviler GPS-Empfänger für die autonome Navigation, d.h. die Navigation allein aufgrund der von den Satelliten empfangenen Signale, liegt typischerweise im Bereich von einigen 10 m. Militärische GPS-Empfänger ermöglichen im autonomen Betrieb die Positionsbestimmung mit einer Genauigkeit von einigen Metern.
Fehlerquellen bei der Positionsbestimmung mit dem GPS sind zunächst Ungenauigkeiten der Satelliten- und Empfängeruhren. Zudem treten aber auch ionosphärische und troposphärische Laufzeitverzögerungen der Satellitensignale und Mehrwegeffekte auf.
Die ionosphärischen und troposphärischen Laufzeitverzögerungen ergeben sich aus dem Brechungsindex der Erdatmosphäre, der insbesondere mit der Temperatur und der Luftfeuchtigkeit variiert. Zudem hängt die Größe der Laufzeitverzögerung von der Elevation der Satelliten ab, da die Signale von Satelliten mit niedrigem Elevationswinkel einen längeren Weg durch die Atmosphäre zurücklegen als Signale von Satelliten mit hohem Elevationswinkel.
Mehrwegeffekte basieren auf Reflektionen der Satellitensignale an Objekten wie Häusern, Wasserflächen usw. auf der Erdoberfläche. Sie können durch die Verwendung spezieller Antennen unterdrückt werden.
Die atmosphärischen Einflüsse können durch den Einsatz des so genannten DGPS (Differential GPS) eliminiert werden. Dabei wird ein Referenz-GPS-Empfänger genutzt, dessen Antenne an einem Ort mit sehr genau bekannten Koordinaten positioniert wird. Anhand eines Vergleichs der bekannten Position der Antenne des Empfängers mit den für seine Position ermittelten GPS-Daten werden für jeden Zeitpunkt und für eine gewisse Umgebung um den Referenzempfänger Korrekturen für die GPS-Daten bestimmt. Diese werden an die in der Umgebung befindlichen GPS-Empfänger gesendet und zur Korrektur der Position verwendet.
Mit Hilfe des DGPS kann derzeit eine Genauigkeit von 1 bis 2 m erreicht werden.
Es ist daher besonders bevorzugt, dass das Fahrzeug 210, dessen Längsneigungswinkel α zu bestimmen ist, mit einem DGPS-Empfänger ausgerüstet ist.
Bei den Fehlern der GPS-Messung handelt es sich um systematische Messfehler, die sich nur langsam mit der Zeit und dem Ort ändern. Der Fehler bei der Ermittlung einer Höhendifferenz ΔH für zwei benachbarte Orte P₁ und P₂ durch zwei Messungen, die nur sehr gering zeitversetzt durchgeführt werden, sollte also erheblich genauer sein als die absolute Positions- und Höhenbestimmung mit GPS.
Der Längsneigungswinkel α eines Fahrzeugs 210, der anhand von Höhenunterschieden ΔH und Positionsdifferenzen d ermittelt wird, kann somit auch mit Hilfe der derzeit erreichten Genauigkeit von GPS und insbesondere von DGPS mit ausreichender Genauigkeit bestimmt werden.
Eine schematische Darstellung, die verdeutlicht, wie der Längsneigungswinkel α eines Fahrzeugs 210 aus der ermittelten Höhendifferenz ΔH zwischen dem ersten Ort P₁ und dem zweiten Ort P₂ und der Entfernung d zwischen beiden Orten P₁ und P₂ bestimmt wird, ist in den 2a und 2b dargestellt.
Der dem Gefälle zwischen dem ersten Ort P₁ und dem zweiten Ort P₂ entsprechende Neigungswinkel α ergibt sich aus der Höhendifferenz ΔH zwischen dem Ort P₁ und dem Ort P₂ und der Entfernung d zwischen den Orten P₁ und P₂ durch die Beziehung sin(α) = ΔH/d
Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Neigungswinkel α des Geländes mit dem Längsneigungswinkel α des Fahrzeugs 210 identifiziert.
Der Höhenunterschied ΔH zwischen beiden Orten P₁ und P₂ wird ermittelt, indem auf das Referenzellipsoid 110 bezogene GPS-Höheninformationen h₁ und h₂ an dem ersten Ort P₁ und an dem zweiten Ort P₂ bestimmt werden und daraus physikalische Höhen H₁ und H₂ für den ersten Ort P₁ und den zweiten Ort P₂ abgeleitet werden. Dies geschieht, wie voranstehend erläutert, anhand des Geoids oder des Quasigeoids. Es gilt dann ΔH = H2 – H1 .
Falls orthometrische Höhen H_o verwendet werden, lässt sich die Höhendifferenz ΔH aus den ellipsoidischen Höhen h₁ und h₂ und aus den Geoidundulationen N₁ und N₂ an den Orten P₁ und P₂ aus der Relation ΔH = h₂ – h₁ – (N₂ – N₁) berechnen.
Falls Normalhöhen H_N verwendet werden lässt sich die Höhendifferenz ΔH aus den ellipsoidischen Höhen h₁ und h₂ und aus den Höhenanomalien ξ₁ und ξ₂ an den Orten P₁ und P₂ aus der Relation ΔH = h₂ – h₁ – (ξ₂ – ξ₁) berechnen.
In einer bevorzugten Durchführungsform des Verfahrens werden mit Hilfe des GPS-Empfängers zunächst die Koordinaten des Ortes P₁ und insbesondere die Höhe H₁ an dem ersten von der in dem sich bewegenden Fahrzeug 210 angebrachten Antenne 220 erreichten Ort P₁ bestimmt.
Erreicht die Antenne 220 des Fahrzeug nach einer gewissen Zeitspanne den Ort P₂, wird mit Hilfe des GPS-Empfängers dort die Position und die physikalische Höhe H₂ bestimmt. Dies ist in der 2a dargestellt.
Die Entfernung d zwischen dem Punkt P₁ und dem Punkt P₂ wird dabei vorzugsweise aus der Differenz der Positionen dieser Orte bestimmt. Die so bestimmte „Luftlinie" zwischen beiden Punkten P₁ und P₂ stimmt mit der tatsächlichen Entfernung d überein, falls die beiden Punkte P₁ und P₂ nicht zu weit auseinander liegen.
Es ist jedoch ebenfalls denkbar, dass die Entfernung d anhand der Messwerte von Raddrehzahlsensoren bestimmt wird. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Höheninformationen nicht mittels eines Satellitennavigationssystems, sondern mit Hilfe eines konventionellen Höhenmessers bestimmt werden. Die Entfernungsbestimmung kann dabei entweder anhand der Anzahl der Umdrehungen der Räder während der Zeitspanne zwischen den beiden Höhenmessungen und dem Radumfang oder anhand der Geschwindigkeit und der Zeitspanne zwischen beiden Messungen bestimmt werden.
Die Messpunkte sollten sowohl im Falle der GPS-Messung als auch im Falle der konventionellen Messung zeitlich und räumlich nahe beieinander liegen, um eine möglichst hohe Genauigkeit bei der Bestimmung des Längsneigungswinkels zu erreichen. Sie könnten beispielsweise in einem Abstand von wenigen Zentimetern vorgenommen werden.
Damit kann auch in einem Gelände mit häufigen und starken Gefälleänderungen, wie sie beispielsweise off-road auftreten, der Längsneigungswinkel des Fahrzeugs recht genau bestimmt werden.
In einem Gelände mit schwachen Gefälleänderungen und oft gleich bleibendem Gefälle, wie es für Verkehrsstrassen überwiegend vorliegt, wird durch eine hohe Anzahl von Messpunkten eine Regression ermöglicht, welche die Genauigkeit des Verfahrens weiter steigert. So kann bei gleich bleibendem Gefälle beispielsweise ein Mittelwert für den an mehreren Orten bestimmten Längsneigungswinkel α bestimmt werden.
Es ist dabei besonders vorteilhaft, dass das Fahrzeug 210 über ein Mittel verfügt, das dynamisch entscheidet, ob es sich um ein Gelände mit gleich bleibendem Gefälle handelt und eine Regression vorgenommen werden kann, oder ob es sich um ein Gelände mit einer Gefälleänderung handelt.
In einer weiteren bevorzugten Durchführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die GPS-Messungen an dem ersten Ort P₁ und an dem zweiten Ort P₂ gleichzeitig vorgenommen. Dies erfordert, dass das Fahrzeug 210 über mindestens zwei GPS-Antennen 220 verfügt.
Die Antennen 220 können dabei jeweils mit einer Empfangs- bzw. Auswertevorrichtung verbunden sein, oder Signale an einen gemeinsamen Empfänger übertragen.
Diese Durchführungsform ist in der 2b veranschaulicht. Der erste Ort P₁ und der zweite Ort P₂ entsprechen dabei den Positionen der ersten und der zweiten GPS-Antenne 220.
Die Antennen 220 sind dabei vorzugsweise so angeordnet, dass sich eine Antenne 220 in einem vorderen Bereich des Fahrzeugs und ein weitere Antenne 220 in einem hinteren Bereich befindet.
Ferner sollten die Antennen 220 bei einem verschwindenden Neigungswinkel von α = 0 die gleiche physikalische Höhe H aufweisen. Dies ermöglicht eine besonders einfache Bestimmung der zu ermittelnden Höhendifferenz ΔH.
Diese Durchführungsform hat den Vorteil, dass die Entfernung d zwischen dem ersten Ort P₁ und dem zweiten Ort P₂ ein Fahrzeugparameter ist. Sie muss hier nur einmal bestimmt werden und ist dann mit einer sehr hohen Genauigkeit bekannt.
Aus den GPS-Messungen müssen bei dieser Durchführungsform lediglich die Höheninformationen H₁ und H₂ bestimmt werden, so dass die Höhendifferenz ΔH die einzige fehlerbehaftete Größe ist, die in die Bestimmung des Längsneigungswinkels α eingeht.
Die gleichzeitige Ermittlung der beiden Höhen H₁ und H₂ hat zudem den Vorteil, dass sie auch bei starken Gefälleänderungen einen genauen Wert für den Neigungswinkel α ergibt.
Bei gleich bleibendem Gefälle kann auch in dieser Durchführungsform eine Regression durchgeführt werden, um die Genauigkeit des Verfahrens zu erhöhen.
Es ist hier ebenfalls möglich, konventionelle Höhenmesser an Stelle von GPS-Empfänger einzusetzen.
Die Verwendung von GPS-Empfängern ist jedoch bevorzugt, da sie potentiell eine höhere Genauigkeit für das Verfahren ermöglichen.
Dies ist insbesondere auch deswegen der Fall, da sich die Genauigkeit der Positionsbestimmung mit Hilfe von Satellitennavigationssystemen in Zukunft weiter erhöhen wird.
Nach dem Start des geplanten europäischen Satellitennavigationssystems GALILEO wird dies etwa durch eine Kombination von GALILEO- und GPS-Daten möglich.
Neben dem GPS ist es in anderen Ausführungsformen ebenfalls möglich, andere auf Funksignalen basierende Systeme zur Positionsbestimmung zu nutzen. Derartige Systeme sind beispielsweise in der Mobilfunktechnologie bekannt. Die Genauigkeit der Positionsbestimmung die derzeit in GSM-Netzen erreicht werden kann, ist jedoch nicht ausreichend. Die Ein führung der UMTS-Technologie wird aber bereits eine höhere Genauigkeit bei der Positionsbestimmung ermöglichen.
Die Positionsbestimmung in der Mobilfunktechnologie beruht im Gegensatz zu der Positionsbestimmung mit Satellitennavigationssystemen darauf, dass die Position eines Senders in Bezug zu mehreren Empfangsstationen bestimmt wird. Die Position kann also nicht an dem Ort des Senders bestimmt werden und muss daher dorthin übermittelt werden. Neben einem Sender benötigt das Fahrzeug in dieser Ausführungsform der Erfindung daher einen Empfänger zum Empfangen der ermittelten Position.
Der anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmte Längsneigungswinkel α kann genutzt werden, um Fahrzeugparameter in seiner Abhängigkeit zu verändern.
Der Längsneigungswinkel kann beispielsweise als Eingangsgröße für eine HDC-Regelung dienen.
Diese wird in Fahrzeugen 210 zur Kompensation des Hangabtriebs auf einer Gefällestrecke verwendet. Der Bremsdruck an den Radbremsen des Fahrzeugs 210 wird durch die HDC-Regelung um einen Kompensationsbremsdruck nach Maßgabe der Längsneigung der Fahrbahn bzw. des Fahrzeugs 210 erhöht, der in Abhängigkeit des Längsneigungswinkels α des Fahrzeugs 210 bestimmt wird.
Die HDC-Regelung tritt typischerweise dann in Kraft, wenn die Zunahme des Neigungswinkels d(sin(α))/dt einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet und/oder die Fahrzeuggeschwindigkeit einen von dem Fahrer vorzugebenden Schwellenwert überschreitet.
Der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bestimmte Längsneigungswinkel α kann ebenfalls als Einganggröße für HSA- der Hill-Holder- Systeme dienen. Das HSA- System unterstützt den Fahrer bei einem Anfahren auf einer Gefällestrecke, während das Hill-Holder-System einen Stillstand des Fahrzeugs 210 auf einer Gefällestrecke automatisch bewirkt.
In einer weiteren Ausführungsform kann der Wert des mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bestimmten Längsneigungswinkels α mit dem Wert verglichen werden, der anhand der Messwerte von Fahrzeugssensoren ermittelt wird. Dies erlaubt es, die Fahrzeugsensoren zu überprüfen.
Insbesondere im Hinblick darauf, dass die Messwerte der Fahrzeugsensoren als Eingangsgrößen in aktive Fahrsicherheitssysteme eingehen, dient diese Ausführungsform einer Erhöhung der Fahrzeugsicherheit.
Die vorliegende Erfindung stellt somit ein vorteilhaftes Verfahren zur Bestimmung des Längsneigungswinkels α eines Fahrzeugs 210 zur Verfügung, das nicht auf bordeigenen Sensoren des Fahrzeugs 210 basiert. In einer bevorzugten Durchführungsform wird der Längsneigungswinkel α dabei mit Hilfe von GPS bestimmt, das trotz seiner Positionsfehler eine genaue Bestimmung des Längsneigungswinkels α ermöglicht.

110: Referenzellipsoid
120: Geoid
130: Quasigeoid
140: Erdoberfläche
150: Meeresoberfläche
210: Fahrzeug
220: GPS-Empfänger des Fahrzeugs
α: Längsneigungswinkel
d: Entfernung
ΔH: Höhendifferenz
P: Punkt
P₁: erster Ort
P₂: zweiter Ort
h: ellipsoidische Höhe
h₁: ellipsoidische Höhe an dem ersten Ort
h₂: ellipsoidische Höhe an dem zweiten Ort
H: physikalische Höhe
H₁: physikalische Höhe des ersten Ortes
H₂: physikalische Höhe des zweiten Ortes
H_o: orthometrische Höhe
H_N: Normalhöhe
N: Geoidundulation
ξ: Höhenanomalie

Claims

Verfahren zum Bestimmen des Längsneigungswinkels (α) eines Fahrzeugs (210), dadurch gekennzeichnet, dass a. an einem ersten Ort (P₁) und an einem zweiten Ort (P₂) Höheninformationen (h₁, h₂) ermittelt und physikalische Höhen (H₁, H₂) aus den ermittelten Höheninformationen (h₁, h₂) abgeleitet werden, b. eine Entfernung (d) zwischen dem ersten und dem zweiten Ort (P₁, P₂) bestimmt wird, c. eine Höhendifferenz (ΔH) aus den physikalischen Höhen (H₁, H₂) ermittelt wird und d. anhand der Höhendifferenz (ΔH) und der Entfernung (d) zwischen dem ersten und dem zweiten Ort (P₁, P₂) ein einem Gefälle zwischen beiden Orten (P₁, P₂) entsprechender Neigungswinkel (α) bestimmt und mit dem Längsneigungswinkel (α) des Fahrzeugs (210) identifiziert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Höheninformationen (h₁, h₂) zeitlich versetzt ermittelt werden.
Verfahren nach einem oder beiden der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der dem Gefälle zwischen beiden Orten (P₁, P₂) entsprechende Neigungswinkel (α) mit dem Längsneigungswinkel (α) des Fahrzeugs (210) an dem zweiten Ort (P₂) identifiziert wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Höheninformationen (h₁, h₂) gleichzeitig ermittelt werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Funksignale empfangen werden und die Höheninformationen (h₁, h₂) anhand der Funksignale ermittelt werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Funksignale des NAVSTAR GPS empfangen werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Funksignale eines differentiellen GPS (DGPS) empfangen werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Höheninformationen (h₁, h₂) orthometrische Höhen (H_o) und/oder Normalhöhen (H_N) abgeleitet werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ableitung der physikalischen Höhen (H, H_o, H_N) anhand einer Geoidundulation (N) und/oder eine Höhenanomalie (ξ) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Entfernung (d) zwischen dem ersten und dem zweiten Ort (P₁, P₂) aus der Differenz der anhand der an den Orten (P₁, P₂) empfangenen Funksignale ermittelten Positionen ermittelt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Neigungswinkel (α) aus der Beziehung sin(α) = ΔH/d bestimmt wird, wobei ΔH die Höhendifferenz zwischen den physikalischen Höhen (H₁, H₂) und d die Entfernung zwischen dem ersten Ort (P₁) und dem zweiten Ort (P₂) bezeichnet.
Vorrichtung zum Bestimmen des Längsneigungswinkels (α) eines Fahrzeugs (210) mit a. wenigstens zwei Antennen (220) zum Empfangen von Funksignalen, b. einem Mittel zum Bestimmen von physikalischen Höhen (H₁, H₂) der Antennen (220) anhand der Funksignale, c. einem Mittel zum Berechnen einer Höhendifferenz (ΔH) zwischen den Antennen (220) und d. einem Mittel zum Bestimmen eines einem Gefälle zwischen den Antennen (220) entsprechenden Winkels (α).
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um Antennen zum Empfangen von Funksignalen eines Satellitennavigationssystems handelt.
Vorrichtung nach einem oder beiden der Ansprüche 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Antennen (220) bei verschwindendem Längsneigungswinkel α = 0 gleiche physikalische Höhen (H₁, H₂) aufweisen.