DE4000781C2 - Verfahren zur Messung der Fahrtrichtung eines Fahrzeugs - Google Patents
Verfahren zur Messung der Fahrtrichtung eines FahrzeugsInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Fahrtrichtung eines
Fahrzeugs. Insbesondere befaßt sich die Erfindung mit einem Verfahren, bei
dem zur genaueren Messung der Fahrtrichtung ein geomagnetischer Sensor
und ein Kreiselsensor eingesetzt werden.
Aus DE 37 36 386 A1 ist ein Verfahren zur Messung der Fahrtrichtung mit den
Merkmalen aus dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt, bei dem ein geomagnetischer
Sensor zur Ermittlung einer absoluten Fahrtrichtung des Fahrzeugs
sowie ein Kreiselsensor zur Ermittlung einer relativen Änderung der
Fahrtrichtung des Fahrzeugs verwendet werden. Die Fahrtrichtung wird unter
Verwendung einer Kombination der Ausgangssignale des geomagnetischen
Sensors und des Kreiselsensors bestimmt.
Ein auf einem ähnlichen Prinzip beruhendes Verfahren ist aus JP 58-34 483
A bekannt. Das bei diesem Verfahren angewandte Prinzip soll nachfolgend unter
Bezugnahme auf Fig. 1 erläutert werden.
Unter der Annahme, daß das Fahrzeug in einer Richtung P auf einer geraden
Strecke fährt, auf der Störungen des Erdmagnetfelds auftreten, wird die mit
Hilfe des Kreiselsensors bestimmte Fahrtrichtung durch eine gerade Linie Q
repräsentiert. Diese Linie ist stabil und liegt in der Nähe der tatsächlichen
Fahrtrichtung P, da der Kreiselsensor bekanntlich nicht durch den magnetischen
Zustand in der Umgebung des Fahrzeugs beeinflußt wird. Die Abweichung
zwischen den Richtungen P und Q beruht auf einem Fehler infolge einer
Drift des Kreiselsensors. Da sich dieser Fehler im Lauf der Zeit oder bei
der Zunahme des vom Fahrzeug zurückgelegten Weges akkumuliert, wird die
Abweichung zwischen den Richtungen P und Q nach und nach größer, wie in
Fig. 1 gezeigt ist. Da andererseits die mit Hilfe des geomagnetischen Sensors
festgestellte Fahrtrichtung durch den Umgebungsmagnetismus beeinflußt
wird, wird die so ermittelte Fahrtrichtung in Fig. 1 beispielsweise
durch eine Sinuskurve R repräsentiert.
Wenn die Fahrtrichtung des Fahrzeugs ausschließlich auf der Grundlage des
Ausgangssignals des geomagnetischen Sensors bestimmt wird, wie beispielsweise
in der japanischen Patentanmeldung (erste Veröffentlichung) Nr. 59-
100812 vorgeschlagen wird, so wird die Abweichung zwischen der tatsächlichen
Fahrtrichtung und der gemessenen Fahrtrichtung beträchtlich groß,
wenn die magnetische Umgebung ungünstig ist. Wenn dagegen die Fahrtrichtung
ausschließlich mit Hilfe des Kreiselsensors ermittelt wird, wie beispielsweise
in der japanischen Patentanmeldung (erste Veröffentlichung) Nr. 59-
202 014 vorgeschlagen wird, so nimmt die Abweichung zwischen der tatsächlichen
Fahrtrichtung und der gemessenen Fahrtrichtung mit der Zeit zu,
wie oben festgestellt wurde.
Um diese Nachteile zu vermeiden, werden gemäß Fig. 1 obere und untere
Schwellenwerte S1 und S2 festgelegt. Diese Schwellenwerte werden ausgewählt,
indem man die Differenz zwischen der mit Hilfe des geomagnetischen
Sensors gemessenen Richtung R und der mit Hilfe des Kreiselsensors gemessenen
Richtung Q ermittelt. Wenn die Richtung R den Schwellenwert S1
oder S2 überschreitet bzw. unterschreitet, so wird die Richtung R korrigiert,
indem sie mit dem betreffenden Schwellenwert S1 bzw. S2 gleichgesetzt
wird. Auf diese Weise ergibt sich eine Richtungslinie T, die als das Endergebnis
der Messung der Fahrtrichtung des Fahrzeugs betrachtet wird. Somit
wird die mit Hilfe des geomagnetischen Sensors erhaltene Richtung R anhand
der mit Hilfe des Kreiselsensors erhaltenen Richtung Q korrigiert, um
den Fehler auf eine Differenz L zwischen dem Schwellenwert und der tatsächlichen
Fahrtrichtung P des Fahrzeugs zu reduzieren.
Wie jedoch aus Fig. 1 hervorgeht, ist der Fehler L noch immer relativ groß.
Wenn daher die geographische Position des Fahrzeugs anhand der korrigierten
Richtungslinie T berechnet wird, so wird die Differenz zwischen der tatsächlichen
und der berechneten Fahrzeugposition mit der Zeit größer, da
sich der Fehler im Lauf der Zeit akkumuliert.
Bei der bekannten Vorrichtung wird der Kreiselsensor lediglich zur Festlegung
der Schwellenwerte verwendet, um das Ausgangssignal des geomagnetischen
Sensors zu stabilisieren. Ein wesentlicher Vorteil des Kreiselsensors
besteht darin, daß er in der Lage ist, relative Richtungsänderungen mit hoher
Genauigkeit und unbeeinflußt durch die magnetische Umgebung zu messen.
Dieser wesentliche Vorteil wird bei dem bekannten System nicht effektiv
ausgenutzt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine genauere Messung der Fahrtrichtung
des Fahrzeugs anhand der Ausgangssignale des geomagnetischen
Sensors und des Kreiselsensors zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den in
Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen.
Erfindungsgemäß wird bei der Berechnung der Fahrtrichtung des Fahrzeugs
der Grad der Abhängigkeit der Fahrtrichtung von den Ausgangssignalen des
geomagnetischen Sensors und des Kreiselsensors anhand von Kenndaten
über die magnetische Umgebung variiert.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den
Unteransprüchen angegeben.
Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand
der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigt
Fig. 1 ein Richtungs-Zeit-Diagramm zur Erläuterung der
Messung der Fahrtrichtung nach einem herkömmlichen
Verfahren;
Fig. 2 ein Blockdiagramm zur Illustration des allgemeinen
Aufbaus eines erfindungsgemäßen Systems zur Messung
der Fahrtrichtung eines Fahrzeugs;
Fig. 3 ein Blockdiagramm einer Vorrichtung zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 4 ein Flußdiagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise einer
Steuereinrichtung der Vorrichtung gemäß Fig. 3;
Fig. 5 ein Flußdiagramm einer Interrupt-Routine, die von der
Steuereinrichtung jeweils nach einer vorgegebenen
Fahrstrecke ausgeführt wird;
Fig. 6A und 6B Flußdiagramme einer Interrupt-Routine, die von der
Steuereinrichtung in vorgegebenen Zeitintervallen ausgeführt
wird;
Fig. 7 ein Richtungs-Weg-Diagramm zur Erläuterung des Einflusses
von kurzreichweitigen Störungen des Erdmagnetfelds;
Fig. 8(a) ein Richtungs-Weg-Diagramm zur Erläuterung des Einflusses
von lang- und kurzreichweitigen Störungen des
Erdmagnetfelds auf die Messung der Fahrtrichtung;
Fig. 8(b) ein Richtungs-Weg-Diagramm zur Erläuterung des Einflusses
von kurzreichweitigen Störungen des Erdmagnetfelds;
Fig. 8(c) ein Richtungs-Weg-Diagramm zur Erläuterung des Einflusses
von langreichweitigen Störungen des Erdmagnetfelds;
Fig. 9(a) eine Graphik zur Illustration der Beziehung zwischen
einem von der Steuereinrichtung bestimmten Koeffizienten
K₁ und einer Kenngröße β, die die kurzreichweitigen
Eigenschaften der magnetischen Umgebung
charakterisiert;
Fig. 9(b) eine Graphik zur Erläuterung der Beziehung zwischen
einem von der Steuereinrichtung bestimmten Koeffizienten
K₂ und einer Kenngröße γ, die die langreichweitigen
Eigenschaften der magnetischen Umgebung
repräsentiert;
Fig. 10 ein Richtungs-Weg-Diagramm oder Richtungs-Zeit-Diagramm
zur Illustration von Änderungen der Richtungskurve
in Abhängigkeit von einem Koeffizienten K; und
Fig. 11(a), (b), (c) Graphiken zur Illustration von Änderungen der Kenngrößen
β und γ im Fall von langreichweitigen Störungen
des Erdmagnetfelds.
Zunächst soll anhand der Zeichnung, insbesondere anhand der Fig. 2, der
grundlegende Aufbau und die Funktionsweise eines Systems zur Messung der
Fahrtrichtung eines Fahrzeugs erläutert werden.
Gemäß Fig. 2 umfaßt das System eine geomagnetische Richtungsmeßeinrichtung
a, die einen Wert für die Fahrtrichtung des Fahrzeugs mit Hilfe eines
geomagnetischen Sensors ermittelt, und eine Kreisel-Richtungsmeßeinrichtung
b, die einen Wert für die Fahrtrichtung des Fahrzeugs mit Hilfe eines
Kreiselgerätes ermittelt. Weiterhin umfaßt das System eine erste Magnetfeld-Bewertungseinrichtung
c zur Erzeugung einer ersten Kenngröße β, die eine
kurzreichweitige Störung des Erdmagnetfelds, beispielsweise in der Größenordnung
von einigen Metern, kennzeichnet. Die Bewertungseinrichtung c
berechnet eine Differenz zwischen einer Änderung der mit Hilfe der geomagnetischen
Richtungsmeßeinrichtung a gemessenen Fahrtrichtung und einer
Änderung der mit Hilfe der Kreisel-Richtungsmeßeinrichtung b gemessenen
Fahrtrichtung pro Wegintervall vorgegebener Länge, das von dem Fahrzeug
zurückgelegt wurde. Die berechnete Differenz bildet die erste Magnetfeld-Kenngröße
β.
In der Praxis kann die Berechnung von der ersten Bewegungseinrichtung c
zunächst auf der Basis eines vorgegebenen Zeitintervalls ausgeführt und das
Ergebnis anschließend entsprechend einem von dem Fahrzeug zurückgelegten
vorgegebenen Wegintervall transformiert werden.
Eine zweite Magnetfeld-Bewertungseinrichtung e liefert eine zweite Magnetfeld-Kenngröße
γ, die eine langreichweitige Störung des Erdmagnetfelds, beispielsweise
in der Größenordnung von einigen zehn bis einigen hundert Metern,
kennzeichnet. Die zweite Bewertungseinrichtung e berechnet eine Differenz
zwischen einer Fahrtrichtung des Fahrzeugs, die mit Hilfe einer weiter
unten beschriebenen Fahrtrichtungs-Ermittlungseinrichtung d unter Verwendung
der ersten Magnetfeld-Kenngröße β ermittelt wurde, und einer
Fahrtrichtung des Fahrzeugs, die mit Hilfe der geomagnetischen Richtungsmeßeinrichtung
a ermittelt wurde, pro vorgegebenes Wegintervall, das von
dem Fahrzeug zurückgelegt wurde. Diese Differenz bildet die zweite Magnetfeld-Kenngröße
γ.
Die oben erwähnte Fahrtrichtungs-Ermittlungseinrichtung d berechnet die
Fahrtrichtung des Fahrzeugs aus den Ausgangssignalen der geomagnetischen
Richtungsmeßeinrichtung a und der Kreisel-Richtungsmeßeinrichtung b, wobei
der Grad der Abhängigkeit des Ergebnisses von diesen Ausgangssignalen
auf der Grundlage der ersten und zweiten Kenngrößen β und γ verändert
wird.
Wenn die Fahrtrichtung des Fahrzeugs allein mit Hilfe des geomagnetischen
Sensors gemessen wird, so kann normalerweise, d. h., wenn keine nennenswerte
Störung des Erdmagnetfelds vorliegt, ein genaues Meßergebnis erzielt
werden. Wenn dagegen eine wesentliche Störung des Erdmagnetfelds vorliegt,
läßt sich kein genaues Meßergebnis erreichen. Wenn andererseits die
Messung der Fahrtrichtung allein mit Hilfe des Kreiselsensors ausgeführt
wird, so akkumuliert sich der durch die Drift des Kreiselsensors verursachte
Fehler mit der Zunahme des von dem Fahrzeug zurückgelegten Weges. Folglich
kann über kurze Entfernungen ein zuverlässiges Meßergebnis erhalten
werden, während sich über längere Entfernungen eine große Abweichung
von der wahren Fahrtrichtung des Fahrzeugs ergibt.
Um die Eigenschaften beider Sensoren in möglichst effizienter Weise auszunutzen,
werden die oben beschriebenen Magnetfeld-Kenngrößen β und γ ermittelt
und ausgewertet. Indem die Gewichtung des geomagnetischen Sensors
und des Kreiselsensors variiert wird, und zwar nicht in einem EIN-AUS-Modus,
sondern kontinuierlich, auf der Grundlage der ersten und zweiten
Kenngrößen β und γ, ist es möglich, für die Fahrtrichtung des Fahrzeugs ein
genaues Meßergebnis zu erhalten, das weder durch die magnetischen Störungen
noch durch die Drift des Kreiselsensors nennenswert verfälscht wird.
Nachfolgend soll unter Bezugnahme auf Fig. 3 bis 11 der Zeichnunge in
bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Messung der Fahrtrichtung
im einzelnen erläutert werden.
In Fig. 3 ist ein Blockdiagramm der zugehörigen Vorrichtung gezeigt. Ein Wegsensor 1
liefert ein den von dem Fahrzeug zurückgelegten Weg angebendes Ausgangssignal
an eine Steuereinrichtung 4. Der Wegsensor 1 wird beispielsweise
durch einen fotoelektrischen oder elektromagnetischen Sensor oder einen
mechanischen Berührungssensor geliefert, der Impulssignale mit einer zu
der Drehzahl eines Reifens des Fahrzeugs proportionalen Frequenz liefert.
Von einem geomagnetischen Sensor 2 erhält die Steuereinrichtung 4 ein
Ausgangssignal, das die anhand des Erdmagnetfelds bestimmte absolute
Fahrtrichtung des Fahrzeugs angibt. Ein Änderungsraten-Kreiselsensor 3 liefert
an die Steuereinrichtung 4 ein Ausgangssignal, das Änderungen der
Fahrtrichtung des Fahrzeugs anzeigt.
Die Steuereinrichtung 4 enthält beispielsweise einen Mikrocomputer, in dem
die von dem Wegsensor 1, dem geomagnetischen Sensor 2 und dem Kreiselsensor
3 erhaltenen Signale verarbeitet werden. Die Steuereinrichtung 4
zählt die von dem Wegsensor 1 übermittelten Impulse und berechnet hieraus
den von dem Fahrzeug zurückgelegten Weg. Weiterhin berechnet die Steuereinrichtung
4 die Fahrtrichtung des Fahrzeugs auf der Grundlage der Ausgangssignale
des geomagnetischen Sensors 2 und des Kreiselsensors 3, um
jeweils nach Zurücklegung einer vorgegebenen Einheits-Wegstrecke durch
das Fahrzeug die Position des Fahrzeugs in einem zweidimensionalen Koordinatensystem
(X-Y-Koordinatensystem) zu bestimmen.
Durch eine Anzeigeeinrichtung 5, beispielsweise eine Kathodenstrahlröhre
oder eine Flüssigkristallanzeige, wird aufeinanderfolgend jeweils die aktuelle
Position des Fahrzeugs gemäß den von der Steuereinrichtung 4 übermittelten
Positionsdaten angezeigt.
Die allgemeine Funktionsweise des Systems zur Bestimmung der Fahrtrichtung
soll nachfolgend anhand der Fig. 4 erläutert werden, die ein Flußdiagramm
eines zur Berechnung der aktuellen Position des Fahrzeugs in dem X-Y-Koordinatensystem
ausgeführten Programms zeigt.
Unmittelbar nach dem Start des Programms wird in einem Initialisierungsschritt
100 eine Initialisierungsroutine ausgeführt. In einem Schritt 102 wird
die augenblickliche Position des Fahrzeugs durch den Fahrer über eine Tastatur
eingegeben, und anschließend werden in Schritt 104 ein Umgebungsplan
sowie die aktuelle Position des Fahrzeugs durch die Anzeigeeinrichtung 5 angezeigt.
Nachdem in einem Interrupt-Freigabeschritt 106 der Start einer Interrupt-Routine
ermöglicht wurde, tritt das Programm in eine durch die Schritte
108 bis 114 gebildete Hauptschleife ein. Wenn in dieser Hauptschleife in
Schritt 112 anhand der Ergebnisse von Interrupt-Routinen 108 und 110 festgestellt
wird, daß sich die aktuelle Position des Fahrzeugs geändert hat, so
werden in Schritt 114 die angezeigte Position des Fahrzeugs und der Umgebungsplan
aktualisiert.
Fig. 5 zeigt ein Flußdiagramm der in Fig. 4 als Schritt 108 bezeichneten
Interrupt-Routine. Dieser Interrupt wird jeweils aufgerufen, nachdem das
Fahrzeug ein vorgegebenes Wegintervall ΔD zurückgelegt hat. Wenn der Wegsensor
1 bei jeder vollständigen Drehung des Reifens 24 Impulse liefert, so
wird die Interrupt-Routine bei jeder Drehung des Reifens vierundzwanzigmal
aufgerufen. Das Wegintervall ΔD hat dann eine Länge von beispielsweise 6 bis
7 cm. Dieser Wert ist jedoch vom Außendurchmesser des Reifens abhängig.
Gemäß Fig. 5 wird in einem Schritt 400 bei jeder Ausführung der Interrupt-Routine
ein Zähler SSS um eins aufgezählt. Dieser Zähler wird verwendet,
um festzustellen, ob das Fahrzeug angehalten hat. Außerdem wird in
Schritt 402 ein Zähler S bei jeder Ausführung der Interrupt-Routine um eins
aufgezählt, und in Schritten 404 und 406 wird ein Zähler SS jeweils nach
zwölf Durchläufen der Interrupt-Routine (bei einer halben Umdrehung des
Reifens) um eins aufgezählt. Der Zählerstand des Zählers SS wird um eins erhöht,
wenn der Zählerstand des Zählers S den Wert zwölf erreicht hat. In
Schritt 408 wird der Zähler S auf null zurückgesetzt. Die Zähler S und SS
dienen zur Berechnung der Fahrtrichtung des Fahrzeugs, wie weiter unten
näher beschrieben wird. Ein Zähler SSSS wird bei jeder Ausführung der Interrupt-Routine
in Schritt 410 um eins aufgezählt und dient zur Berechnung
der aktuellen Position des Fahrzeugs, wie ebenfalls weiter unten erläutert
werden soll.
Fig. 6A und 6B zeigen ein Flußdiagramm der in Fig. 4 als Schritt 110
bezeichneten Interrupt-Routine. Diese Interrupt-Routine wird in vorgegebenen
Zeitintervallen ΔT aufgerufen, beispielsweise alle 100 ms.
Gemäß Fig. 6A wird in einem Schritt 500 überprüft, ob das Fahrzeug steht.
Wenn der Zählerstand des Zählers SSS gleich null ist, d. h., wenn das Fahrzeug
steht und keine Änderung der Fahrtrichtung möglich ist, erfolgt eine
Verzweigung zu einem Schritt 504, unter Umgehung der Schritte zur Berechnung
der Fahrtrichtung. In Schritt 504 wird die Drift des Kreiselsensors
korrigiert. Da die Winkelgeschwindigkeit des Fahrzeugs null sein sollte, wenn
das Fahrzeug steht, entspricht das unter diesen Bedingungen erhaltene Ausgangssignal
des Kreiselsensors der Drift.
Wenn dagegen die Abfrage in Schritt 500 verneint wird, d. h., wenn sich das
Fahrzeug bewegt, so wird der Zähler SSS in Schritt 502 auf null zurückgesetzt,
und anschließend wird der Schritt 506 ausgeführt, in welchem die mit
Hilfe des geometrischen Sensors 2 ermittelte absolute Fahrtrichtung RM
des Fahrzeugs gelesen wird. Im anschließenden Schritt 508 wird die Differenz
ΔRM zwischen der gelesenen absoluten Fahrtrichtung RM und der vorherigen
absoluten Fahrtrichtung RMOLD berechnet. Die vorherige absolute
Fahrtrichtung RMOLD ist die absolute Fahrtrichtung RM, die bei dem vorherigen
Durchlauf der Interrupt-Routine gemessen und in Schritt 534 (Fig. 6B)
für den nachfolgenden Zyklus gespeichert wurde.
In Schritt 510 wird die mit Hilfe des Kreiselsensors 3 gemessene Winkelgeschwindigkeit
ωG des Fahrzeugs um die Gierachse gelesen, und in Schritt
512 wird die Richtungsänderung ΔRG berechnet gemäß der Formel ωG×ΔT.
Wenn in Schritt 514 festgestellt wird, daß die Richtungsänderung ΔRG dem
Betrage nach kleiner ist als (0,3°/s ΔT), so erfolgt eine Verzweigung zu
Schritt 516, wo ΔRG gleich Null gesetzt wird. Dies bedeutet, daß die Richtungsänderung
ΔRG bei den nachfolgenden Berechnungen vernachlässigt
wird, wenn der Absolutbetrag dieser Richtungsänderung kleiner als ein vorgegebener
Wert ist. Wie oben erwähnt wurde, weist das Signal des Kreiselsensors
aufgrund der Drift einen Meßfehler auf. Zwar ist dieser Meßfehler bei
einem Zyklus der Interrupt-Routine nur klein, doch kann dieser Meßfehler
durch Integration bei der wiederholten Ausführung der Interrupt-Routine beträchtlich
groß werden. Durch die Schritte 514 und 516 wird verhindert,
daß die durch die Drift des Kreiselsensors verursachten Richtungsabweichungen
bei der Ausführung der Interrupt-Routine aufintegriert werden.
In den Schritten 518 bis 530 wird die Fahrtrichtung des Fahrzeugs anhand
der von dem geomagnetischen Sensor und dem Kreiselsensor gelieferten Daten
berechnet.
In Schritt 518 wird einer Variablen R₁ der Wert R der Fahrtrichtung des
Fahrzeugs zugewiesen, der bei der vorherigen Ausführung der Interrupt-Routine
ermittelt und in Schritt 536 gespeichert wurde. Anschließend wird in
Schritt 520 die mit Hilfe des Kreiselsensors ermittelte Richtungsänderung
ΔRG zu dem Richtungswert R₁ addiert, so daß man einen Richtungswert R₂
erhält. Der Richtungswert R₂ enthält nur die mit Hilfe des Kreiselsensors ermittelte
Richtungsänderung in der laufenden Interrupt-Routine.
In den Schritten 522 und 524 werden die Magnetfeld-Kenngrößen β und γ
berechnet. Die in Schritt 522 berechnete Kenngröße β entspricht dem Ausgangssignal
der ersten Magnetfeld-Bewertungseinrichtung c in Fig. 2, und
die in Schritt 524 berechnete Kenngröße γ entspricht dem Ausgangssignal
der zweiten Magnetfeld-Bewertungseinrichtung e in Fig. 2.
Die Kenngröße β wird berechnet gemäß der Gleichung
β = | ΔRG - ΔRM |
und repräsentiert die Differenz zwischen den Ausgangssignalen des geomagnetischen
Sensors und Kreiselsensors innerhalb einer kurzen Wegstrecke
oder eines kurzen Zeitintervalls. Diese Kenngröße bildet somit ein Maß für
eine kurzreichweitige oder kurzzeitige Störung des Erdmagnetfelds, beispielsweise
in der Größenordnung von einigen Metern.
Die Kenngröße β hat die folgende Bedeutung.
Wenn das Fahrzeug auf einer Hochstraße fährt, so nimmt eine Störkomponente
in dem Ausgangssignal des geomagnetischen Sensors deutlich zu, während
das Fahrzeug einige Meter zurücklegt. Es kann angenommen werden,
daß diese Erhöhung der Störkomponente durch Metallbauelemente der
Hochstraße verursacht wird. Wenn das Fahrzeug auf einer Straße unter der
Hochstraße fährt, ergibt sich ebenfalls eine Zunahme der Störkomponente
des Ausgangssignals des geomagnetischen Sensors innerhalb einiger Meter
zurückgelegter Fahrstrecke, infolge beiderseits der Fahrbahn angeordneter
Stützpfeiler für die Hochstraße. Bei der Kenngröße β handelt es sich um
einen Zahlenwert, der die oben erläuterte kurzreichweitige oder kurzfristige
Störkomponente quantitativ beschreibt. Demgemäß wird die Kenngröße β gebildet,
indem das Ausgangssignal des Kreiselsensors, das über kurze
Strecken als genau angesehen werden kann, mit dem entsprechenden Ausgangssignal
des geomagnetischen Sensors verglichen wird.
Die zweite Magnetfeld-Kenngröße γ wird dagegen berechnet gemäß der Gleichung
γ = | R₂ - RM |
und repräsentiert die Differenz zwischen dem in Schritt 520 berechneten
Richtungswert R₂ und der in Schritt 506 gelesenen absoluten Fahrtrichtung
RM. Bei dieser Kenngröße handelt es sich somit um einen Zahlenwert, der
eine Störung des Erdmagnetfelds, d. h., eine Störung des Ausgangssignals des
geomagnetischen Sensors mit einer größeren räumlichen Ausdehnung (beispielsweise
in der Größenordnung von einigen 10 bis einigen 100 Metern)
als im Fall der Kenngröße β quantitativ beschreibt. Solche langreichweitigen
Störungen des Erdmagnetfelds sind beispielsweise dann zu erwarten, wenn
das Fahrzeug in geringem Abstand neben Eisenbahnschienen entlangfährt
oder auf einer Straße fährt, unter der eine Untergrundbahnstrecke verläuft.
In Fig. 7 und 8 ist der Einfluß von Störungen des Erdmagnetfelds auf die
Messung der Fahrtrichtung des Fahrzeugs graphisch dargestellt.
In Fig. 7 und 8(a) ist die tatsächliche Fahrtrichtung des Fahrzeugs durch
eine gestrichelte Linie dargestellt. Das Fahrzeug fährt demgemäß stets in der
selben Richtung.
Fig. 7 zeigt ein Beispiel, bei dem eine relativ starke kurzreichweitige Störung
des Erdmagnetfelds vorliegt. Die durchgezogene Linie zeigt die mit Hilfe
des geomagnetischen Sensors ermittelte Fahrtrichtung des Fahrzeugs. Bei
diesem Beispiel tritt eine relativ starke Änderung der Kenngröße β auf.
Fig. 8(a) zeigt ein weiteres Beispiel, bei dem sowohl kurzreichweitige Störungen
als auch eine langreichweitige Störung des Erdmagnetfelds auftreten,
wobei jedoch die kurzreichweitigen Störungen kleiner sind als in Fig. 7. Fig. 8(b)
zeigt die kurzreichweitige Komponente der Störung gemäß Fig. 8(a),
und Fig. 8(c) zeigt ausschließlich die langreichweitige Komponente
der Störung gemäß Fig. 8(a). Bei diesem Beispiel ist die kurzreichweitige
Störung relativ klein, d. h., die Änderung der Kenngröße β verhältnismäßig
gering, während die langreichweitige Störung relativ groß ist, so daß sich die
Kenngröße γ verhältnismäßig stark ändert.
Gemäß Fig. 6B wird in Schritt 526 ein Koeffizient K gemäß der folgenden
Gleichung (1) berechnet
Bei dem Koeffizienten K handelt es sich um einen Zahlenwert, der bestimmt,
wie schnell sich der in Schritt 520 berechnete Richtungswert R₂ der in
Schritt 506 gelesenen absoluten Fahrtrichtung RM annähert, wie weiter unten
näher beschrieben wird.
In der Gleichung (1) bezeichnen die Größen α₁, α₂, α₃, α₄, n 1 und n 2 Konstanten,
die beispielsweise die folgenden Werte haben.
α₁ = 0,58
α₂ = 0,02
α₃ = 2
α₄ = 0,1 bis 1
n 1 = 6
n 2 = 1
α₂ = 0,02
α₃ = 2
α₄ = 0,1 bis 1
n 1 = 6
n 2 = 1
Wenn diese Werte (mit α₄=0,1) für die entsprechenden Konstanten in Gleichung
(1) eingesetzt werden, so erhält man:
Wenn in Gleichung (2) der erste Term auf der rechten Seite mit K₁ und der
zweite Term auf der rechten Seite mit K₂ bezeichnet wird, so erhält man:
K = K₁ × K₂ × 0,1.
K₁ wird durch die erste Magnetfeld-Kenngröße β bestimmt, und K₂ wird bestimmt
durch die zweite Magnetfeld-Kenngröße γ.
Die Beziehung zwischen K₁ und der Kenngröße β ist graphisch in Fig. 9(a)
dargestellt, und Fig. 9(b) veranschaulicht die Beziehung zwischen K₂ und
der Kenngröße γ. Wie aus Fig. 9(a) und 9(b) hervorgeht, werden die Größen
K₁ und K₂ kleiner, wenn die Magnetfeld-Kenngrößen größer werden.
Die oben erwähnten Konstanten in Gleichung (1) haben die folgende Bedeutung:
α₁: Wenn die Störung des Erdmagnetfelds am geringsten ist (β=0, γ=0),
so wird der Koeffizient K maximal. Die Konstante α₁ dient zur Einstellung
dieses Maximalwertes. Wenn diese Konstante erhöht wird, so wird die Geschwindigkeit
größer, mit der sich der in Schritt 520 berechnete Richtungswert
R₂ der in Schritt 506 gelesenen absoluten Fahrtrichtung RM annähert.
α₂: Diese Konstante dient zur Einstellung der Geschwindigkeit, mit der sich der in Schritt 520 berechnete Richtungswert R₂ der in Schritt 506 gelesenen absoluten Fahrtrichtung RM in dem Fall annähert, daß die Störung des Erdmagnetfelds in der Größenordnung von einigen Metern liegt, während die langreichweitige Störung minimal ist (β groß, γ=null). Wenn diese Konstante kleiner gewählt wird, so wird die Annäherungsgeschwindigkeit kleiner, und die Abhängigkeit des Ergebnisses von dem Ausgangssignal des Kreiselsensors wird stärker.
α₃: Diese Konstante dient zur Festlegung des Einflusses der Kenngröße γ auf die Annäherungsgeschwindigkeit. Wenn diese Konstante größer gewählt wird, wird der Einfluß auf die Annäherungsgeschwindigkeit größer, und die Abhängigkeit des Ergebnisses von dem Ausgangssignal des Kreiselsensors wird schon bei kleinen Werten von γ stärker.
α₄: Diese Konstante dient zur Einstellung der Annäherungsgeschwindigkeit insgesamt.
n 1: Diese Konstante dient zur Einstellung des Verlaufs der K₁-Kurve in Abhängigkeit von der Kenngröße β. Da diese Konstante beispielsweise in Fig. 9(a) einen großen Wert hat (n 1=6), weist K₁ eine starke Änderung in der Nähe von β=1 auf. Wenn die Konstante n 1 größer gewählt wird, so wird die Änderung von k₁ in der Nähe von β=1 größer, und wenn die Konstante n 1 verringert wird, so wird die Änderung von k₁ in der Umgebung von β=1 kleiner.
n 2: Diese Konstante dient zur Einstellung des Verlaufs der K₂ in Abhängigkeit von der Kenngröße γ. Da beispielsweise in Fig. 9(b) diese Konstante einen kleinen Wert aufweist (n 2=1), ändert sich K₂ nur langsam im Vergleich zu der Kurve K₁ in Fig. 9(a). Da α₃=2 ist, ändert sich K₂ sehr stark in der Nähe von γ=1/2, wenn n 2 größer wird.
α₂: Diese Konstante dient zur Einstellung der Geschwindigkeit, mit der sich der in Schritt 520 berechnete Richtungswert R₂ der in Schritt 506 gelesenen absoluten Fahrtrichtung RM in dem Fall annähert, daß die Störung des Erdmagnetfelds in der Größenordnung von einigen Metern liegt, während die langreichweitige Störung minimal ist (β groß, γ=null). Wenn diese Konstante kleiner gewählt wird, so wird die Annäherungsgeschwindigkeit kleiner, und die Abhängigkeit des Ergebnisses von dem Ausgangssignal des Kreiselsensors wird stärker.
α₃: Diese Konstante dient zur Festlegung des Einflusses der Kenngröße γ auf die Annäherungsgeschwindigkeit. Wenn diese Konstante größer gewählt wird, wird der Einfluß auf die Annäherungsgeschwindigkeit größer, und die Abhängigkeit des Ergebnisses von dem Ausgangssignal des Kreiselsensors wird schon bei kleinen Werten von γ stärker.
α₄: Diese Konstante dient zur Einstellung der Annäherungsgeschwindigkeit insgesamt.
n 1: Diese Konstante dient zur Einstellung des Verlaufs der K₁-Kurve in Abhängigkeit von der Kenngröße β. Da diese Konstante beispielsweise in Fig. 9(a) einen großen Wert hat (n 1=6), weist K₁ eine starke Änderung in der Nähe von β=1 auf. Wenn die Konstante n 1 größer gewählt wird, so wird die Änderung von k₁ in der Nähe von β=1 größer, und wenn die Konstante n 1 verringert wird, so wird die Änderung von k₁ in der Umgebung von β=1 kleiner.
n 2: Diese Konstante dient zur Einstellung des Verlaufs der K₂ in Abhängigkeit von der Kenngröße γ. Da beispielsweise in Fig. 9(b) diese Konstante einen kleinen Wert aufweist (n 2=1), ändert sich K₂ nur langsam im Vergleich zu der Kurve K₁ in Fig. 9(a). Da α₃=2 ist, ändert sich K₂ sehr stark in der Nähe von γ=1/2, wenn n 2 größer wird.
Wie aus den obigen Erläuterungen hervorgeht, hängt die Wahl der Konstanten
n 1 und n 2 davon ab, ob der Koeffizient K sich schnell oder langsam ändern
soll und ob die stärkste Änderung des Koeffizienten K bei bestimmten
Werten der Kenngrößen β und γ auftreten soll.
Gemäß Fig. 6B wird in Schritten 528 und 530 der in Schritt 520 berechnete
Richtungswert R₂ der in Schritt 506 gelesenen absoluten Fahrtrichtung
RM angenähert. Die Geschwindigkeit, mit der diese Annäherung in den
Schritten 528 und 530 erfolgt, wird durch den Koeffizienten K bestimmt. Je
größer der Koeffizient K ist, desto schneller und stärker ist die Annäherung.
Wenn beispielsweise in Schritt 530 der Koeffizient K den Wert 1 hat, so gilt:
R₂ = 1 × (RM - R₂) + R₂ = RM.
In diesem Fall wird somit der Richtungswert R₂ mit dem Wert RM in Übereinstimmung
gebracht, indem der Schritt 530 nur ein einziges Mal ausgeführt
wird. Wenn andererseits der Koeffizient K den Wert 0 hat, so hat der
Wert RM in Schritt 530 keinen Einfluß auf den Richtungswert R₂.
Die oben geschilderten Verhältnisse sind in Fig. 10 illustriert. Wenn das
Fahrzeug auf einer geraden Straße fährt und eine schnelle Änderung des Erdmagnetfeldes
auftritt, so erfolgt eine schnelle Annäherung des Richtungswertes
R₂ an den Wert RM, wenn der Koeffizient K groß ist, während die Annäherung
bei einem kleinen Koeffizienten K langsamer erfolgt.
Wenn keine Störung des Erdmagnetfelds vorliegt, so gilt: β=γ=0, K₁=0,6
und K₂=1,0. Wenn die Konstante α₄ den Wert 1 hat, so ist K=0,6 (ein maximaler
Wert). Wenn andererseits die Störung des Erdmagnetfelds sehr stark
ist, beispielsweise β=+∞ und γ=+∞, so hat der Koeffizient K den Wert 0.
Wenn der Zustand K=0 länger anhält, so wird die Änderung der Fahrtrichtung
des Fahrzeugs während der Dauer dieses Zustands ausschließlich mit
Hilfe des Kreiselsensors bestimmt, so daß sich der Driftfehler akkumuliert.
In der Praxis liegt der Koeffizient K jedoch zwischen dem Minimalwert 0 und
dem Maximalwert 0,6, so daß es unwahrscheinlich ist, daß der Zustand K=0
länger anhält und eine Akkumulation des Driftfehlers auftreten kann. Auf lange
Sicht nähert sich daher der in Schritt 520 berechnete Richtungswert R₂
aufgrund des Schrittes 530 der absoluten Fahrtrichtung RM an, so daß der
Driftfehler korrigiert wird.
Schritt 528 enthält einen Befehl, der dafür sorgt, daß die Anzahl der Wiederholungen
des Schrittes 530 dem Zählerstand des Zählers SS entspricht.
Wenn der Zählerstand des Zählers SS=2 ist, so wird der Schritt 530 zweimal
ausgeführt. Wenn dagegen der Zählerstand des Zählers SS=0 ist, so
wird der Schritt 530 ausgelassen. In Schritt 532 wird der Zähler SS für die
nächste Interrupt-Routine auf 0 zurückgesetzt.
Die Wiederholung des Schrittes 530 ist erforderlich, um ein Berechnungsergebnis
auf der Grundlage eines vorgegebenen Wegintervalls zu erhalten, da
die Interrupt-Routine gemäß Fig. 6A, 6B auf der Basis eines vorgegebenen
Zeitintervalls ΔT ausgeführt wird. Das beschriebene Ausführungsbeispiel ist
äquivalent zu dem Fall, daß der Schritt 530 nach jeder halben Drehung des
Reifens ausgeführt wird, da der Zähler SS jeweils nach zwölf Zählintervallen
des Zählers um 1 aufgezählt wird, wie in Fig. 5 gezeigt ist. Zwar wäre es eigentlich
zweckmäßig, die Interrupt-Routine jeweils nach einem vorgegebenen
Wegintervall auszuführen, doch aufgrund von Problemen, die mit der Arbeitsbelastung
der Zentraleinheit des Mikrocomputers zusammenhängen,
wird in der Praxis die Interrupt-Routine in bestimmten Zeitintervallen ausgeführt,
und das Ergebnis wird so berechnet, daß es einem auf der Basis eines
Wegintervalls gewonnenen Ergebnis äquivalent ist.
In Schritt 534 in Fig. 6B wird die in Schritt 506 gelesene absolute Fahrtrichtung
RM als RMOLD für den nachfolgenden Zyklus gespeichert. In Schritt
536 wird der in Schritt 530 (bei der letzten Wiederholung dieses Schrittes)
berechnete Wert R₂ als neuer Wert R für die gemessene Fahrtrichtung gespeichert,
und in Schritt 538 werden die Koordinaten X und Y für die neue Position
des Fahrzeugs berechnet. In Schritt 538 gibt der Wert ΔD×SSSS die von
dem Fahrzeug seit der vorherigen Ausführung der Interrupt-Routine zurückgelegte
Wegstrecke an. In Schritt 540 wird der Zähler SSSS auf 0 zurückgesetzt,
um den nächsten Zyklus vorzubereiten.
In dem Initialisierungsschritt 100 in Fig. 4 werden die Anfangswerte für die
Fahrtrichtung R und RMOLD auf die von dem geomagnetischen Sensor erhaltene
absolute Fahrtrichtung RM zum Zeitpunkt der Initialisierung eingestellt.
Weiterhin werden die Zähler S, SS, SSS und SSSS auf 0 zurückgesetzt.
Nachfolgend sollen die Vorteile erläutert werden, die sich aus der Verwendung
von zwei Kenngrößen zur Kennzeichnung der magnetischen Umgebung
ergeben.
In Fig. 11(a) ist angenommen, daß eine plötzliche langreichweitige Störung
des Erdmagnetfelds in der Größenordnung von einigen 10 Metern bis einigen
100 Metern auftritt, während das Fahrzeug auf einer geraden Fahrbahn
fährt. Der Einfachheit halber sind in Fig. 11(a) die kurzreichweitigen Störungen
des Erdmagnetfelds in der Größenordnung von einigen Metern vernachlässigt,
so daß die Kenngröße β als konstant angesehen werden kann.
Da die Kenngröße γ gemäß Fig. 6A nach der Formel γ=|R₂-RM| berechnet
wird, wird die Kenngröße γ in Fig. 11(a) durch die Differenz zwischen
der mit Hilfe des geomagnetischen Sensors ermittelten absoluten Fahrtrichtung
RM (entsprechend dem Wert RM in Schritt 524 in Fig. 6A) und der mit
Hilfe des Kreiselsensors ermittelten Fahrtrichtung R (entsprechend dem
Wert R₂ in Schritt 524 in Fig. 6A) dargestellt. Der Verlauf der Kenngröße γ
ist in Fig. 11(b) angegeben. Es ist zu erkennen, daß die Kenngröße γ zwischen
den Zeitpunkten t₁ und t₁₀ große Werte aufweist. Der Koeffizient K₂
ist deshalb zwischen den Zeitpunkten t₁ und t₁₀ klein, und somit hat auch
der Koeffizient K nur einen kleinen Wert. Die oben erwähnte Annäherungsgeschwindigkeit
oder der Grad der Annäherung ist deshalb nur gering.
Wenn jedoch das Erdmagnetfeld nach dem Zeitpunkt t₁₀ wieder den Normalwert
annimmt, nimmt die Kenngröße γ zwischen den Punkten t₁₀ und
t₁₁ schnell ab, und die Annäherungsgeschwindigkeit wird größer.
Fig. 11(c) zeigt den Verlauf des Wertes der Kenngröße β. Es ist zu erkennen,
daß die Kenngröße β in dem betrachteten Beispiel lediglich zwei Ausschläge
bei den Zeitpunkten t₁ und t₁₀ aufweist und zwischen den Zeitpunkten
t₂ und t₉ nur einen kleinen Wert hat, da diese Kenngröße nur auf die Änderungen
beim Einsetzen und Abfallen der langreichweitigen Störung anspricht.
Wenn die Kenngröße γ bei der Berechnung des Koeffizienten K nicht
verwendet würde, ergäbe sich somit zwischen den Zeitpunkten t₂ und t₉
eine hohe Annäherungsgeschwindigkeit, so daß sich die gemessene Fahrtrichtung
R sehr schnell der (fehlerhaften) absoluten Fahrtrichtung RM in Fig. 11(a)
annähern würde. Auf diese Weise ergäbe sich deshalb eine starke
Abweichung der gemessenen Fahrtrichtung von der tatsächlichen Fahrtrichtung.
In Fig. 11(a), (b) und (c) ist die Skalierung der Weg- bzw. Zeitachse identisch.
Durch Verwendung der beiden Magnetfeld-Kenngrößen β und γ für kurzreichweitige
und langreichweitige Störungen ist es möglich, eine präzise
Messung der Fahrtrichtung des Fahrzeugs auch bei kurz- und langreichweitigen
Störungen des Erdmagnetfelds durchzuführen.
Die oben als Beispiel angegebenen Werte für die Konstanten α₁ bis α₄, n 1
und n 2 wurden unter der Annahme gewählt, daß der Kreiselsensor einen
Driftfehler von 0,1°/s aufweist. Wenn ein Kreiselsensor mit einem kleineren
Driftfehler verwendet wird, so können die Werte der Konstanten so verändert
werden, daß das Meßergebnis stärker von dem Ausgangssignal des Kreiselsensors
abhängt, um eine genauere Messung der Fahrtrichtung zu ermöglichen
und die Einflüsse von Störungen des Erdmagnetfelds noch weiter zu unterdrücken.
Claims (11)
1. Verfahren zur Messung der Fahrtrichtung eines Fahrzeugs, bei dem in
aufeinanderfolgenden Meßzyklen jeweils
- - eine Winkelvariable RM, die die Fahrtrichtung des Fahrzeugs in bezug auf die Richtung des Erdmagnetfelds am Ort des Fahrzeugs angibt, anhand des Ausgangssignals eines geomagnetischen Sensors (2) ermittelt wird,
- - ein erster Änderungswinkel ΔRG, der die Richtungsänderung des Fahrzeugs seit dem letzten Meßzyklus angibt, anhand des Ausgangssignals eines Kreiselsensors (3) ermittelt wird,
- - ein zweiter Änderungswinkel ΔRM berechnet wird, der die Differenz zwischen dem aktuellen Wert der Winkelvariablen RM und dem vorherigen Wert dieser Variablen angibt, und
- - aus diesen Daten ein aktueller Fahrtrichtungswinkel R berechnet wird,
der die Fahrtrichtung des Fahrzeugs in einem erdfesten Koordinatensystem
angibt,
dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Meßzyklus - - eine erste Kenngröße β berechnet wird, die eine Abweichung zwischen dem ersten Änderungswinkel ΔRG und dem zweiten Änderungswinkel ΔRM angibt und so ein Maß für eine kurzreichweitige Störung des Erdmagnetfelds bildet,
- - anhand des vorherigen Wertes des Fahrtrichtungswinkels R und des aktuellen Wertes des ersten Änderungswinkels ΔRG ein vorläufiger Wert R₂ für den neuen Fahrtrichtungswinkel berechnet wird,
- - eine zweite Kenngröße γ berechnet wird, die eine Abweichung zwischen dem aktuellen Wert der Winkelvariablen RM und dem vorläufigen Wert R₂ angibt und so ein Maß für eine langreichweitige Störung des Erdmagnetfelds bildet, und
- - der neue Wert für den Fahrtrichtungswinkel R als Funktion der Winkelvariablen RM, des vorläufigen Wertes R₂ und der Kenngrößen β und γ derart berechnet wird, daß R für kleine Werte der beiden Kenngrößen näher bei RM und für große Werte der beiden Kenngrößen näher bei R₂ liegt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste
Änderungswinkel ΔRG gleich null gesetzt wird, wenn der ermittelte Wert dieses
Änderungswinkels dem Betrage nach kleiner ist als ein vorgegebener
Wert.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
Kenngröße β Störungen mit einer Reichweite in der Größenordnung von
einigen Metern und die Kenngröße γ Störungen mit einer Reichweite in der
Größenordnung von einigen 10 bis einigen 100 Metern repräsentiert.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die erste Kenngröße β den Absolutbetrag der Differenz
zwischen ΔRG und ΔRM angibt und die zweite Kenngröße γ den Absolutbetrag
der Differenz zwischen RM und R₂ angibt.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß aus den Kenngrößen β und γ ein Koeffizient K berechnet wird,
dessen Wert bei zunehmenden Werten von β und γ abnimmt, und daß der
Fahrtrichtungswinkel R als Funktion von RM, R₂ und K derart berechnet wird,
daß R bei kleinen Werten von K näher bei R₂ und bei großen Werten von K
näher bei RM liegt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Berechnung
des Fahrtrichtungswinkels R gemäß der folgenden Gleichung erfolgt:
R = K × (RM - R₂) + R₂.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der
Koeffizient K gemäß folgender Gleichung berechnet wird:
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Berechnung des Fahrtrichtungswinkels R in vorgegebenen
Zeitintervallen einer Größe ΔT erfolgt.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die in den
vorgegebenen Zeitintervallen der Größe ΔT berechneten Werte des Fahrtrichtungswinkels
R unter Berücksichtigung der in diesen Zeitintervallen von
dem Fahrzeug zurückgelegten Wegstrecken derart umgewandelt werden, daß
sie auf entsprechende Wegintervalle einer bestimmten Größe bezogen sind.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe ΔT
der Zeitintervalle 100 ms beträgt und die bestimmte Größe der Wegintervalle
einer halben Drehung eines Reifens des Fahrzeugs entspricht.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, gekennzeichnet durch die Verwendung
einer Einrichtung zur Erfassung eines Stillstands des Fahrzeugs und eine
Einrichtung zur Korrektur eines Driftfehlers des Kreiselsensors (3) bei
stillstehendem Fahrzeug.
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