-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren
und eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Offsetwertes.
-
Aus der
DE 100 08 550 A1 sind ein
Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Bewegungsparameters
eines Kraftfahrzeuges bekannt, wobei eine Steuerung zur Bestimmung
insbesondere des aktuellen Geschwindigkeitsvektors und dem Winkel
zwischen der Fahrzeuglängsachse
und dem Geschwindigkeitsvektor (Schwimmwinkel) unter Hinzuziehung
eines Differenz-Navigationssystems (D-GPS) verwendet 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 kann insbesondere auf glatter Fahrbahn, wenn das Kraftfahrzeug
ins Schleudern gerät
oder die Messdaten des Radsensors nicht mehr zuverlässig sind,
relevant sein. In weiterer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die
vom Navigationssystem gelieferten Daten auch zur Kontrolle und Überwachung
des vom Fahrzeug zurückgelegten
Fahrwegs, der ermittelten Fahrgeschwindigkeit sowie von Winkelbestimmungen
aus den Werten eines Drehratensensors herangezogen werden. Bei Überschreitung
eines vorgegebenen Grenzwertes kann eine entsprechende Fehlermeldung
ausgegeben werden.
-
In der
DE 199 45 119 A1 wird ein
Verfahren zum Navigieren eines bodengebundenen Fahrzeugs angegeben,
bei dem eine Weglängengröße mit Hilfe der
Umdrehungszahl eines Rades gemessen wird. Hierbei möchte man
genauere Grundlagen für
die Navigation verwenden können.
Die Weglängengröße wird
mit Hilfe von mindestens einem externen Positionsgeber kalibriert.
-
Aus der
DE 197 48 127 A1 ist eine
Navigationseinrichtung für
Kraftfahrzeuge bekannt, bei der neben anderen Ortsbestimmungsverfahren
auch Koppelortung angewendet wird. Dabei ist zur Wegmessung für die Koppelortung
ein vorzugsweise in die Navigationsrichtung eingebauter Beschleunigungssensor
vorgesehen, dessen Ausgangssignal zweimal integriert wird. Außerdem kann
zur Kursbestimmung für
die Koppelortung ein Drehratensensor vorgesehen sein.
-
Vorteile der
Erfindung
-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zur Ermittlung des Offsetwertes eines in einem Kraftfahrzeug eingesetzten
und fahrdynamische Größen ermittelnden
Sensors, bei dem
-
- – durch
einen Gierratensensor die Gierrate des Kraftfahrzeugs ermittelt
wird,
- – durch
Auswertung der durch einen im Kraftfahrzeug befindlichen GPS-Empfänger (GPS
= „Global
Positioning System")
empfangenen GPS-Signale die Richtung der Geschwindigkeit insbesondere
des Schwerpunkts des Kraftfahrzeugs (d.h. die Schwerpunktsgeschwindigkeit)
ermittelt wird und
- – wenigstens
ausgehend von der durch den Gierratensensor ermittelten Gierrate
und der ermittelten Richtung der Geschwindigkeit der Offsetwert des
Sensors ermittelt wird.
-
Die Ermittlung des Offsetwertes von
Sensoren spielt bei der Auswertung von deren Signalen eine zentrale
Rolle. Diese Kenntnis des Offsetwertes ist wesentlich für die Auswertung
der Sensorsignale. Deshalb wird durch die vorliegende Erfindung
ein GPS-unterstütztes Verfahren
zur Ermittlung des Offsetwertes bereitgestellt, welches
-
- – für sich allein
genommen zur Ermittlung des Offsetwertes verwendet werden kann oder
- – in
Verbindung mit anderen Verfahren zur Offsetwertbestimmung eingesetzt
werden kann.
-
Eine vorteilhafte Ausgestaltung ist
dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Sensor um einen Gierratensensor
handelt.
-
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform
ist dadurch gekennzeichnet, dass die Richtung der Geschwindigkeit
des Kraftfahrzeugs durch eine Frequenzanalyse der empfangenen GPS-Signale
ermittelt wird. Dadurch ist eine besonders hohe Genauigkeit der Geschwindigkeitsermittlung
erreichbar. Diese Genauigkeit liegt in der Größenordnung 0.1 m/s bei einer
Ermittlungsfrequenz von 10 Hz.
-
Eine vorteilhafte Ausgestaltung ist
dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung der Geschwindigkeit
auf der Ausnutzung des physikalischen Doppler-Effekts beruht.
-
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform
ist dadurch gekennzeichnet, dass
-
- – aus
der Richtung der Geschwindigkeit eine die zeitliche Änderung
der Geschwindigkeitsrichtung beschreibende Größe ermittelt wird und
- – dass
diese Größe in die
Ermittlung des Offsetwertes eingeht.
-
Bei bekannter Richtung der Geschwindigkeit ist
die Änderung
der Geschwindigkeitsrichtung in einem Steuergerät auf einfache Weise ermittelbar.
-
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung
ist dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der die Änderung
der Geschwindigkeitsrichtung beschreibenden Größe um den Drehwinkel des Geschwindigkeitsvektors
handelt.
-
Der Geschwindigkeitsvektor enthält die Komponenten
der Geschwindigkeit in die verschiedenen Raumrichtungen, z.B. (vx,
vy, vz).
-
Eine vorteilhafte Ausgestaltung ist
dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des Offsetwertes
-
- – die
Gierrate über
ein Zeitintervall integriert wird und
- – der
Drehwinkel des Geschwindigkeitsvektors während des gleichen Zeitintervalls
berechnet wird, d.h. es wird der auftretende Drehwinkel des Geschwindigkeitsvektors
während
dieses Zeitintervalls ermittelt.
-
Dadurch stehen zwei dimensionslose
Größen zur
Verfügung,
welche auf einfache Weise verknüpft
werden können.
-
Eine vorteilhafte Ausgestaltung ist
dadurch gekennzeichnet, dass in die Ermittlung des Offsetwertes
- – die
Differenz zwischen der über
das Zeitintervall integrierten Gierrate und dem Drehwinkel des Geschwindigkeitsvektors
während
des gleichen Zeitintervalls sowie
- – die
Länge des
Zeitintervalls
eingehen.
-
Die Bildung der Differenz zwischen
den beiden Größen ist
nur deshalb sinnvoll, weil sowohl die über das Zeitintervall integrierte
Gierrate als auch der Drehwinkel beide dimensionslos sind (bzw.
dieselbe physikalische Dimension haben).
-
Die Vorrichtung zur Ermittlung des
Offsetwertes eines in einem Kraftfahrzeug eingesetzten und fahrdynamische
Informationen liefernden Sensors umfasst
-
- – einen
Gierratensensor zur Ermittlung der Gierrate des Kraftfahrzeugs,
- – einen
im Kraftfahrzeug befindlichen GPS-Empfänger zum Empfang von GPS-Signalen,
- – eine
Auswerteeinheit, in welcher aus den durch den GPS-Empfänger empfangenen
GPS-Signalen die Richtung der Geschwindigkeit insbesondere des Schwerpunkts
des Kraftfahrzeugs ermittelt wird sowie
- – Offsetwertermittlungsmittel,
in denen wenigstens ausgehend von der durch den Gierratensensor
ermittelten Gierrate und der ermittelten Richtung der Geschwindigkeit
der Offsetwert des Sensors ermittelt wird.
-
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der
Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit
Mittel zur Frequenzanalyse enthält,
in denen die Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs durch eine Frequenzanalyse
der empfangenen GPS-Signale ermittelt wird.
-
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen
sind den Unteransprüchen
zu entnehmen.
-
Zeichnung
-
Die Zeichnung besteht aus den 1 und 2.
-
1 zeigt
den Ablauf des Verfahrens zur Ermittlung des Offsetwertes.
-
2 zeigt
den Aufbau der Vorrichtung zur Ermittlung des Offsetwertes.
-
Ausführungsbeispiele
-
In der heutigen Zeit gewinnen Systeme,
welche den Fahrzustand eines Fahrzeugs in fahrdynamischen Grenzsituationen
(d.h. fahrdynamisch kritischen Situationen) stabilisieren, zunehmend
an Bedeutung. Beispielsweise seien hier Antiblockiersysteme (ABS)
und Fahrdynamikregelungssysteme (z.B. ESP = „Electronic Stability Program") genannt. Die Sensorik,
auf die solche System zugreifen, sind im wesentlichen
-
- – ein
Gierratensensor,
- – ein
Querbeschleunigungssensor,
- – Raddrehzahlsensoren,
- – ein
oder mehrere Bremsdrucksensoren und
- – ein
Lenkwinkelsensor.
-
Mittels dieser Sensoren wird
-
- - der Fahrerwunsch ermittelt und
- - der Bewegungszustand des Fahrzeugs bestimmt.
-
Der für die Fahrdynamik relevante Schwimmwinkel
wird üblicherweise
aus den von diesen Sensoren gelieferten Daten geschätzt. Dabei wird
unter dem Schwimmwinkel der Winkel zwischen der Fahrzeuglängsachse
und der Richtung der Geschwindigkeit im Schwerpunkt des Fahrzeugs
verstanden.
-
Es ist wesentlich, dass dabei der
Geschwindigkeitsvektor im Schwerpunkt des Kraftfahrzeugs (d.h. die
Schwerpunktsgeschwindigkeit) ermittelt wird. Dies kann bei einem
GPS-System (welches auf dem Empfang von durch Satelliten ausgesandten
Signalen durch eine Antenne und deren Auswertung beruht) wenigstens
auf zwei verschiedene Arten erreicht werden:
-
- 1. der GPS-Empfänger liegt in der durch den Fahrzeugschwerpunkt
gehenden Hochachse des Fahrzeugs. Häufig liegt die Hochachse durch
den Fahrzeugschwerpunkt in der Nähe
des Armaturenbretts. Deshalb bietet sich in diesen Fällen ein Einbau
des GPS-Empfängers
in das Armaturenbrett an. Ein weiterer geeigneter Einbauort für die GPS-Antenne
ist die Kontaktlinie zwischen Frontscheibe des Fahrzeugs und Karosserie.
- 2. Im Falle, dass ein Einbau nahe denn Fahrzeugschwerpunkt nicht
möglich
ist, können
die vom GPS-Empfänger
ermittelten Geschwindigkeitskomponenten in den Schwerpunkt transformiert werden.
Dies geschieht durch die Transformationsvorschriften vx_sp = vx
+ ωgier·Rx und
vy_sp = vy – ωgier·Ry. Dabei
sind vx_sp und vy_sp die Geschwindigkeitskomponenten im Fahrzeugschwerpunkt,
vx und vy sind die Geschwindigkeitskomponenten am Einbauort der
GPS-Antenne und ωgier
ist die beispielsweise mit einem Gierratensensor ermittelte Gierrate
des Kraftfahrzeugs. Rx bzw. Ry kennzeichnen den Abstand in Längs- bzw.
Querrichtung des GPS-Empfängers vom
Fahrzeugsschwerpunkt. Sind die Konekturterme ωgier·Rx und ωgier·Ry viel kleiner als vx bzw.
vy, dann können
sie häufig
vernachlässigt werden.
-
Über
den Dopplereffekt (unter dem Dopplereffekt versteht man die Frequenzverschiebung
bei einer Relativbewegung von Strahlquelle und Strahlempfänger zueinander)
kann aus den GPS-Signalen die Relativgeschwindigkeit zwischen der
am Fahrzeug angebrachten GPS-Antenne und dem entsprechenden GPS-Satelliten
berechnet werden. Bei direktem Kontakt mit vier Satelliten kann über die GPS-Sensorik
ein 3D-Geschwindigkeitsvektor
(vx, vx, vz) mit einer Genauigkeit der Größenordnung 0.1 m/s bei einer
Ermittlungsfrequenz von 10 Hz ermittelt werden. Die Ermittlung dieses
Geschwindigkeitsvektors erfolgt dabei durch eine Frequenzanalyse,
welche den durch die Fahrzeugbewegung auftretenden Dopplereffekt
erfasst und auswertet. Im Gegensatz zu dieser hochpräzisen Geschwindigkeitsbestimmung
ist dabei die Ortsbestimmung mittels eines GPS-Systems (es wird
eine Genauigkeit der Größenordnung
10 m erreicht) weniger genau.
-
Die GPS-Sensorik liefert einen 3D-Geschwindigkeitsvektor
(vx, vx, vz). Im Folgenden wird die Projektion dieses Vektors auf
die xy-Ebene betrachtet, die Geschwindigkeitskomponente in z-Richtung
(vz) wird vernachlässigt.
Bei einer konstanten Geradeausfahrt ändert der Vektor weder seinen
Betrag noch seine Richtung. Bei einer unkritischen Kurvenfahrt mit
konstanter Geschwindigkeit dreht sich dieser Vektor in der x-y-Ebene
mit der Winkelgeschwindigkeit ωgps
mit dem Fahrzeug. Im Fahrzeug selbst wird in dieser Situation mit
dem Gierratenssensor eine Gierrate ωgiermess gemessen.
-
Dabei haben die Größen ωgps und ωgiermess
die folgende anschauliche Bedeutung:
ωgps: Diese Größe gibt
die Winkelgeschwindigkeit an, mit der sich der Geschwindigkeitsvektor
des Fahrzeugschwerpunktes dreht.
ωgiermess: Diese Größe gibt
die mit dem Gierratensensor des Fahrzeugs gemessene Gierrate an,
d.h. die Winkelgeschwindigkeit, mit der sich die Fahrzeuglängsachse
dreht.
-
Die im Fahrzeug gemessene Gierrate ωgiermess
stimmt bei einer ebenen Fahrbahn mit ωgps überein, solange kein Schwimmwinkel
aufgebaut wird. Weichen die beiden Größen jedoch voneinander ab,
dann entspricht die Differenz der zeitlichen Ableitung des Schwimmwinkels,
d.h. der Änderung des
Schwimmwinkels dβ dividiert
durch das Zeitintervall dt: dβ/dt = ωgier – ωgps.
-
Bei der Größe ωgier handelt es sich dabei um
den bzgl. Genauigkeit, Empfindlichkeit und Querneigung der Fahrbahn
korrigierten Wert von ωgiermess.
-
Durch die zeitliche Integration der
Größe dβ/dt erhält man den
Schwimmwinkel: β = ∫(ωgier – ωgps)dt.
-
„∫" kennzeichnet dabei das Integralsymbol.
-
Da unter normalen Fahrbedingungen
der Schwimmwinkel β begrenzt
ist (d.h. einen endlichen, nicht „allzu großen" Wert annimmt), muss über einen hinreichend
langen Beobachtungszeitraum hinweg betrachtet die Differenz der
beiden folgenden Integrale ebenfalls begrenzt sein: β = ∫ ωgier dt – ∫ ωgps dt.
-
Dabei kennzeichnet „∫ " das Integralzeichen.
-
Nun soll der zweite der beiden Summanden der
rechten Seite von obiger Formel näher betrachtet werden, d.h. ∫ ωgps dt:
Dieses
Integral ist ein Maß für die Änderung
der Richtung des Geschwindigkeitsvektors im Zeitintervall von t1
bis t2, d.h. dieses Integral ergibt den Drehwinkel Δα. Weist der
Geschwindigkeitsvektor (vx, vy) des Fahrzeugschwerpunktes zum Zeitpunkt
t1 den Winkel αt1
gegen eine fest gewählte
Achse auf und zum Zeitpunkt t2 den Winkel αt2 gegen dieselbe Achse, dann
ist Δα = αt2 – αt1 = ∫ αgps dt, wobei
sich das Integral von der unteren Grenze t1 bis zur oberen Grenze
t2 erstreckt.
-
Diese Information wird in einem Navigationsgerät (welches
den GPS-Empfänger
beinhaltet) nicht nur mittels der GPS-Information erzeugt, sondern auch
zusätzlich
noch mit der digitalen Straßenkarte, auf
welche das Navigationssystem zugreift, in Übereinstimmung gebracht.
-
Wird nun ωgier = ωgiermess – ωgieroff (die Empfindlichkeit ωgiersens
werde im folgenden zu 1 gesetzt und damit nicht weiter betrachtet)
verwendet, dann erhält
man damit die folgende Beziehung für den Schwimmwinkel: β = ∫(ωgiermess – ωgieroff)dt – (αt2 – αt1).
-
Das Integral ∫(wgiermess – ωgieroff)dt erstreckt sich dabei
vom Zeitpunkt t1 bis zum Zeitpunkt t2. Da der Offsetwert ωgieroff
eine nahezu konstante Größe darstellt
(welche sich lediglich in sehr langen Zeiträumen beispielsweise durch Alterungsvorgänge des
Gierratenssensors ändert),
kann der Offsetwert vor das Integral gesetzt werden. Damit erhält man ωgieroff
= 1/(t2 – t1)·[∫(ωgiermess)dt – (αt2 – αt1)] – β/(t2 – t1).
-
Mit zunehmender Beobachtungsdauer
(t2 – t1)
wird die Größe β/(t2 – t1) immer
kleiner, da der Schwimmwinkel endliche, nicht allzu große Werte
annimmt.
-
Damit ergibt sich für den Offsetwert
letztendlich für
hinreichend große
Beobachtungszeiträume die
Formel ωgieroff=
1/(t2 – t1)·[∫(ωgiermess)dt – (αt2 – at1)], d.h.
aus der (durch den Gierratensensor) gemessenen Gierrate und der
(über das
GPS-System bzw. Navigationssystem)
erfassten Drehung des Geschwindigkeitsvektors wird der Offsetwert
des Gierratensensors ermittelt.
-
Der Ablauf des Verfahrens zur Ermittlung
des Offsetwertes ist in 1 dargestellt.
-
In Block 101 wird dabei
die Gierrate ωgiermess
ermittelt (bzw. durch den Gierratensensor gemessen). Anschließend an
Block 101 findet in Block 103 die Integration ∫(ωgiermess)dt
statt. Dies ist durch das Symbol „∫" in Block 103 gekennzeichnet. In
Block 102 wird über
ein GPS-System die Geschwindigkeit v, insbesondere Ihre Komponenten
vx (= Komponente in x-Richtung) und vy (= Komponente in y-Richtung)
ermittelt. Daraus wird anschließend
in Block 103 der Drehwinkel Δα = αt2 – αt1 des Geschwindigkeitsvektors
während
eines Zeitintervalls Δt
= t2 – t1
ermittelt. Dabei handelt es sich um dasselbe Zeitintervall, über welches
in Block 103 die Gierrate ωgiermess integriert wird. Die
Blöcke 103 und 104 sind
mit dem Verknüpfungsblock 105 verbunden.
Im diesem Block wird die Differenz ∫(ωgiermess)dt – (αt2 – αt1) gebildet.
Danach wird zu Block 106 weitergegangen. Dort wird die
Länge Δt = t2 – t1 des
Zeitintervalls ermittelt. Anschließend wird aus diesen Größen in Block 107 die
Gierrate ωgieroff
= 1/(t2 – t1)·[∫(ωgiermess)dt – (αt2 – αt1)] ermittelt.
In Block 107 endet das Verfahren zugleich. Der Start des
Verfahrens ist durch die Blöcke 101 und 102 gegeben.
Dieses Verfahren kann in regelmäßigen oder
unregelmäßigen Zeitabständen durchgeführt werden.
-
Der Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist in 2 dargestellt.
Dabei enthält
Block 201 Mittel zur Ermittlung der Gierrate, insbesondere
einen Gierratensensor. Im konkreten Ausführungsbeispiel soll der Offset
der von diesem Gierratensensor gelieferten Ausgangssignale ermittelt
werden. Block 202 stellt einen GPS-Empfänger zum Empfang von GPS-Signalen
dar. Block 20'' ist mit der
Auswerteeinheit 203 verbunden, in der aus den GPS-Signalen
die Geschwindigkeit (v, vx, vy) des Kraftfahrzeugs ermittelt wird.
Die Ausgangssignale der Blöcke 201 und 203 werden
an Block 204 weitergeleitet. Dieser enthält Offsetwertermittlungsmittel,
in denen wenigstens ausgehend von der durch den Gierratensensor
ermittelten Gierrate (Block 201) und der ermittelten Geschwindigkeit
v (d.h. vx und vy, in Block 203 ermittelt) der Offsetwert ωgieroff
des Sensors ermittelt wird.
-
Dieser wird beispielsweise an ein
Steuergerät 205 weitergeleitet.
Dabei kann es sich beispielsweise um ein Fahrdynamikregelungssystem
handeln. Dort wird die Größe ωgieroff
beispielsweise zur Korrektur der vom Gierratensensor gelieferten
Signale verwendet. Das Steuergerät 205 steuert
wiederum Aktormittel 206 an, dabei kann es sich beispielsweise um
Bremsaktuatoren handeln.