DE4110374A1 - Vorrichtung zur erfassung der winkelgeschwindigkeit, vorrichtung zur erfassung der beschleunigung und vorrichtung zur steuerung der bewegung fuer einen bewegten koerper - Google Patents
Vorrichtung zur erfassung der winkelgeschwindigkeit, vorrichtung zur erfassung der beschleunigung und vorrichtung zur steuerung der bewegung fuer einen bewegten koerperInfo
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Description
Vorrichtung zur Erfassung der Winkelgeschwindigkeit, Vor
richtung zur Erfassung der Beschleunigung und Vorrichtung
zur Steuerung der Bewegung für einen bewegten Körper
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur
Erfassung einer Winkelgeschwindigkeit eines bewegten Kör
pers wie etwa eines Kraftfahrzeugs, einer Videokamera
oder dergleichen, eine Steuervorrichtung zur Steuerung
der Bewegung eines bewegten Körpers wie etwa eines Kraft
fahrzeugs und eine Vorrichtung zur Erfassung der Be
schleunigung eines bewegten Körpers.
Im Stand der Technik sind verschiedene Verfahren zur Er
fassung der Winkelgeschwindigkeit eines bewegten Körpers
bekannt. Aus JP 64-16 912-A ist ein Verfahren bekannt, das
ein Vibrations-Gyroskop verwendet, aus JP 64-1906-A ist
ein Verfahren bekannt, das ein Lichtleitfaser-Gyroskop
verwendet, aus JP 63-2 43 763-A ist ein Verfahren bekannt,
das einen Gasgeschwindigkeitssensor verwendet, und aus JP
1-1 27 963-A ist ein Verfahren bekannt, das Ultraschallwel
len verwendet. Ferner ist aus JP 63-2 18 866-A ein Verfah
ren zur Erfassung einer Fahrzeug-Giergeschwindigkeit, die
eine Art von Winkelgeschwindigkeit des Fahrzeugs dar
stellt, bekannt, wobei die Radgeschwindigkeiten zur indi
rekten Erfassung der Giergeschwindigkeit verwendet wer
den.
Jedes der oben erwähnten, herkömmlichen Verfahren zur Er
fassung der Winkelgeschwindigkeit, mit Ausnahme des Ver
fahrens der JP 63-2 18 866-A, erfaßt die Winkelgeschwin
digkeit auf direktem Weg. Zur Ausführung dieser Verfahren
sind komplizierte Vorrichtungen erforderlich.
Die Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens zur Gierge
schwindigkeitserfassung ist einfach. Bei diesem Verfahren
besteht jedoch hinsichtlich der Erfassungsgenauigkeit ein
Problem, weil die durch die Straßenoberfläche und die
Raddrehung gegebenen Bedingungen zur Erfassung der Radge
schwindigkeit die Giergeschwindigkeits-Erfassungsergeb
nisse beeinflussen.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine
eine Mehrzahl von Beschleunigungssensoren verwendende
Vorrichtung zur indirekten Erfassung der Winkelgeschwin
digkeit eines bewegten Körpers wie etwa eines Kraftfahr
zeugs und eine Steuervorrichtung zur Steuerung der Bewe
gung des bewegten Körpers, die die von der oben erwähnten
Vorrichtung zur Erfassung der Winkelgeschwindigkeit er
faßte Winkelgeschwindigkeit als Rückkopplungssignal ver
wendet, zu schaffen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vor
richtung zur Erfassung der Winkelgeschwindigkeit eines
bewegten Körpers, die einen ersten und einen zweiten Sen
sor, die jeweils eine bestimmte Erfassungsrichtung besit
zen, ein Mittel zum Anbringen des ersten und des zweiten
Beschleunigungssensors an einem bewegten Körper, derart,
daß der erste und der zweite Beschleunigungssensor in ei
ner Ebene im wesentlichen die gleiche Erfassungsrichtung
und in dieser Erfassungsrichtung einen gegenseitigen Ab
stand aufweisen, und Mittel zum Erfassen der Winkelge
schwindigkeit des bewegten Körpers um eine zu der Ebene,
auf der der erste und der zweite Beschleunigungssensor
angeordnet sind, senkrechten Achse auf der Grundlage der
räumlichen Beziehung zwischen dem ersten und dem zweiten
Beschleunigungssensor und einer Beschleunigungsdifferenz
zwischen der vom ersten Beschleunigungssensor und der vom
zweiten Beschleunigungssensor erfaßten Beschleunigung um
faßt.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung erfaßt die
Winkelgeschwindigkeitserfassungsvorrichtung eine Winkel
geschwindigkeit (ω) des bewegten Körpers gemäß der fol
genden Gleichung:
ω = (ΔG/R)1/2
wobei ΔG eine Beschleunigungsdifferenz und R der Abstand
zwischen dem ersten und dem zweiten Beschleunigungssensor
in der Erfassungsrichtung ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung
umfaßt die Vorrichtung ein Mittel zum Einstellen des
Nullpunkts des Beschleunigungssensors, das während eines
Stillstands des bewegten Körpers eine Nullpunkteinstel
lung ausführt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung
umfaßt die Vorrichtung ein Filtermittel, das aus der von
dem ersten und dem zweiten Sensor ermittelten Beschleuni
gung ein Hochfrequenzrauschen beseitigt.
Die Aufgabe wird ferner erfindungsgemäß gelöst durch eine
Steuervorrichtung zur Steuerung der Bewegung eines beweg
ten Körpers, die die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Er
fassung der Winkelgeschwindigkeit eines bewegten Körpers
und ein Betätigungselement zum Betätigen eines Steuerele
mentes, das die Bewegung des bewegten Körpers steuert und
dabei auf die erfaßte Winkelgeschwindigkeit der Bewegung
des bewegten Körpers zurückgreift, umfaßt. Ein Beispiel
einer solchen Bewegung des bewegten Körpers ist durch das
Gieren eines Kraftfahrzeugs gegeben. Mit der erfindungs
gemäßen Steuervorrichtung kann das Gieren des Kraftfahr
zeugs unterdrückt werden.
Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung
sind in den Neben- und Unteransprüchen, die sich auf be
sondere Ausführungsformen beziehen, angegeben.
Die Erfindung wird im folgenden anhand bevorzugter Aus
führungsformen mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläu
tert; es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung der Anord
nung der an einem bewegten Körper ange
brachten Beschleunigungssensoren gemäß
einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung;
Fig. 2, 3 jeweils Vektordiagramme zur Erläuterung
der Beschleunigungsvektor-Analyse gemäß
der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 eine graphische Darstellung zur Erläute
rung der Winkelgeschwindigkeiten, die von
einem herkömmlichen Detektor bzw. von ei
nem Detektor gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung erfaßt wurden,
und der erfaßten Beschleunigungen;
Fig. 5 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Winkelgeschwin
digkeitssensors;
Fig. 6 eine graphische Darstellung zur Erläute
rung der Beziehung zwischen der Winkelge
schwindigkeit und der zu messenden Be
schleunigung;
Fig. 7 eine graphische Darstellung zur Erläute
rung der jeweiligen Sensorausgabe
(Beschleunigung) und der Beschleunigungs
differenz;
Fig. 8 ein Blockschaltbild eines Signalverarbei
tungsschaltungs-Abschnittes der erfin
dungsgemäßen Vorrichtung zur Erfassung
der Winkelgeschwindigkeit;
Fig. 9 ein Flußdiagramm zur Erläuterung der
Funktion zum Setzen eines Verschiebungs
wertes;
Fig. 10 eine graphische Darstellung zur Erläute
rung einer Beziehung zwischen der Be
schleunigungsdifferenz und der Winkelge
schwindigkeit;
Fig. 11A-11C jeweils schematische Darstellungen zur
Erläuterung der Anordnungen der Beschleu
nigungssensoren in einem Kraftfahrzeug;
Fig. 12 eine diagrammartige Darstellung der An
ordnung der Beschleunigungssensoren in
einer Steuervorrichtung eines Kraftfahr
zeugs;
Fig. 13A eine Draufsicht der Steuervorrichtung;
Fig. 13B einen Querschnitt entlang der Linie 13B-
13B von Fig. 13A; und
Fig. 14 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung
für ein Kraftfahrzeug.
In Fig. 1 ist ein bewegter Körper 1 gezeigt, dessen Win
kelgeschwindigkeit erfaßt werden soll. Der bewegte Körper
1 kann wenigstens in einer x-y-Ebene bewegt werden, wobei
die Bewegung eine zur x-y-Ebene parallele Bewegung und
eine Drehung oder Umdrehung um eine zur x-y-Ebene senk
rechte Achse z umfaßt. Der bewegte Körper 1 wird aufgrund
einer in ihm erzeugten Bewegungsenergie oder aufgrund ei
ner von außen zugeführten Bewegungsenergie bewegt. Ein
Kraftfahrzeug stellt ein repräsentatives Beispiel eines
solchen bewegten Körpers 1 dar. Beispielsweise stellen
auch ein bewegter Teil eines Kraftfahrzeugs, eines Flug
zeugs, einer Videokamera oder dergleichen derartige be
wegte Körper dar. Der in Fig. 1 gezeigte bewegte Körper
besitzt eine rechteckige Gestalt, damit die Erläuterung
der vorliegenden Erfindung vereinfacht werden kann;
selbstverständlich kann der bewegte Körper 1 jedoch auch
jede andere Gestalt besitzen.
Eine Vorrichtung zur Erfassung der Winkelgeschwindigkeit
des bewegten Körpers 1 umfaßt einen ersten und einen
zweiten Beschleunigungssensor 2 bzw. 3, die entsprechende
Erfassungsrichtungen (I) bzw. (II) aufweisen. Der erste
und der zweite Beschleunigungssensor 2 bzw. 3 sind am be
wegten Körper 1 an Befestigungspunkten A bzw. B befe
stigt. Unter der Annahme, daß der Schwerpunkt 4 des be
wegten Körpers 1 das Drehzentrum des bewegten Körpers 1
darstellt, ist der Befestigungspunkt A des ersten Be
schleunigungssensors 2 in einem Radius Ra rechts vom
Schwerpunkt 4 angeordnet, während der Befestigungspunkt B
des zweiten Beschleunigungssensors 3 in einem Radius Rb
links vom Schwerpunkt 4 angeordnet ist. Die Befestigungs
punkte A und B bilden zur x-Achse die Winkel Ra bzw. Rb.
Die Erfassungsrichtungen (I) und (II) der Beschleuni
gungssensoren 2 bzw. 3 sind jeweils parallel zur x-Achse.
Die von den Beschleunigungssensoren 2 und 3 erfaßte Be
schleunigung des bewegten Körpers 1 stellt die x-Kompo
nente der Beschleunigung einer zur x-y-Ebene parallelen
Bewegung des bewegten Körpers 1 und die x-Komponente der
Beschleunigung aufgrund einer durch die Drehbewegung des
bewegten Körpers 1 verursachten Zentrifugalkraft dar.
Folglich können die Beschleunigungen Gsa, Gsb, die vom
ersten bzw. vom zweiten Beschleunigungssensor 2 bzw. 3
erfaßt werden, durch die folgenden Gleichungen
Gsa = Gla + Gya · cos Ra (1)
Gsb = Glb + Gyb · cos Rb (2)
dargestellt, wobei gilt:
Gla Beschleunigung der Parallelbewegung im Punkt A;
Glb Beschleunigung der Parallelbewegung im Punkt B;
Gya Beschleunigung auf Grund der Drehbewegung (Zentrifugalkraft) im Punkt A;
Gyb Beschleunigung auf Grund der Drehbewegung (Zentrifugalkraft) im Punkt B;
Gsa Beschleunigung im Punkt A, die vom Sensor 2 tatsächlich erfaßt wird; und
Gsb Beschleunigung im Punkt B, die vom Sensor 3 tatsächlich erfaßt wird.
Gla Beschleunigung der Parallelbewegung im Punkt A;
Glb Beschleunigung der Parallelbewegung im Punkt B;
Gya Beschleunigung auf Grund der Drehbewegung (Zentrifugalkraft) im Punkt A;
Gyb Beschleunigung auf Grund der Drehbewegung (Zentrifugalkraft) im Punkt B;
Gsa Beschleunigung im Punkt A, die vom Sensor 2 tatsächlich erfaßt wird; und
Gsb Beschleunigung im Punkt B, die vom Sensor 3 tatsächlich erfaßt wird.
Die Gleichungen (1) und (2) werden zum leichteren Ver
ständnis in den Fig. 2 und 3 erläutert. Hierbei gilt für
die Beschleunigung Gla bzw. Glb der Parallelbewegung die
folgende Beziehung:
Gla = Glb (3)
Eine Differenz ΔG zwischen der tatsächlich erfaßten Be
schleunigung Gsa und der tatsächlich erfaßten Beschleuni
gung Gsb an den Punkten A bzw. B ist unter Verwendung der
Gleichungen (1), (2) und (3) folgendermaßen gegeben:
ΔG = Gsa - Gsb = Gya · cos Ra - Gyb · cos Rb (4)
Wenn sich der bewegte Körper dreht, tritt eine Zentrifu
galkraft auf. Die Zentrifugalkraft ist durch (Masse)×
(Radius)×(Winkelgeschwindigkeit)2 gegeben, so daß die
Beschleunigung aufgrund der Drehung durch (Radius)
(Winkelgeschwindigkeit)2 gegeben ist. Daher kann die
Drehbeschleunigung an den Punkten A bzw. B folgendermaßen
ausgedrückt werden:
Gya = Ra · ω² (5)
Gyb = Rb · ω² (6)
Wenn die Gleichungen (5) und (6) in Gleichung (4) einge
setzt werden, wird Gleichung (4) folgendermaßen umge
formt:
ΔG = ω² · (Ra · cos Ra - Rb · cos Rb) (7)
Beide Seiten der Gleichung (7) sind positiv. Aus Glei
chung (7) ergibt sich die Winkelgeschwindigkeit ω folgen
dermaßen.
ω = [ΔG/(Ra · cos Ra - Rb · cos Rb)]1/2 (8)
Ein Abstand R auf der x-Achse zwischen dem Punkt A und
dem Punkt B ist folgendermaßen gegeben:
R = (Ra · cos Ra - Rb · cos Rb) (9)
wobei die Gleichung (8) folgendermaßen ausgedrückt werden
kann:
ω = (ΔG/R)1/2 (10)
In den Gleichungen (8) oder (10) sind Ra, Rb, Ra und Rb
feste Werte, so daß auch R ein fester Wert ist, der eine
räumliche Beziehung zwischen den am bewegten Körper (1)
angebrachten ersten und zweiten Beschleunigungssensoren
darstellt. Andererseits stellt ΔG eine Differenz zwi
schen der erfaßten Beschleunigung vom ersten bzw. vom
zweiten Beschleunigungssensor dar, so daß die Winkelge
schwindigkeit ω gemäß Gleichung (8) oder (10) auf der
Grundlage der räumlichen Beziehung und der erfaßten Be
schleunigung berechnet werden kann.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erfassung der Win
kelgeschwindigkeit umfaßt ferner ein Mittel, mit dem der
erste und der zweite Beschleunigungssensor 2 bzw. 3 wie
erwähnt in einem gegenseitigen Abstand R am bewegten Kör
per 1 so angebracht werden, daß sie die gleiche Erfas
sungsrichtung besitzen, und eine Verarbeitungsschaltung
zur Erfassung der Winkelgeschwindigkeit anhand der Be
schleunigungsdifferenz 4G und der räumlichen Beziehung R
gemäß Gleichung (8) oder (10).
Die Verarbeitungsschaltung kann von analoger oder digita
ler Bauart sein.
Was die räumliche Beziehung zwischen dem ersten und dem
zweiten Beschleunigungssensor 2 bzw. 3 betrifft, sollte
die Gleichung (9) nicht Null sein. Wenn diese Bedingung
erfüllt ist, können für Ra, Rb, Ra und Rb irgendwelche
Werte verwendet werden. Für Ra und Rb ist es jedoch vor
teilhaft, wenn Ra = 0° und Rb = 180° gilt, was bedeutet,
daß der erste und der zweite Beschleunigungssensor 2 bzw.
3 auf einer Linie angeordnet sind; diese räumliche Bezie
hung macht den Abstand R maximal. Wenn Rb beispielsweise
nahe bei Ra liegt, wird ΔG klein, so daß die Werte von
4G weniger gut unterschieden werden können. Es ist je
doch auch in einem solchen Fall möglich, die Winkelge
schwindigkeit zu erfassen.
Wenn gilt daß Ra ≠ Rb kann die Winkelgeschwindigkeit
selbst dann erfaßt werden, wenn Ra = Rb ist.
In Fig. 4 ist ein Vergleich zwischen den Werten, die ge
mäß der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung bzw.
gemäß einem herkömmlichen Verfahren erfaßt wurden, ge
zeigt, wobei der erste und der zweite Beschleunigungssen
sor in einem Kraftfahrzeug angebracht sind, um die Werte
zu erfassen.
In Fig. 4 ist auf der Abszisse die Zeit aufgetragen, wäh
rend auf der Ordinate die Beschleunigung und die Winkel
geschwindigkeit aufgetragen sind. Als Vergleichsbeispiel
wird ein herkömmliches optisches Gyroskop verwendet, das
die Winkelgeschwindigkeit direkt erfaßt. Der Vergleich
der vom optischen Gyroskop erfaßten Winkelgeschwindigkeit
mit der erfindungsgemäß erfaßten Winkelgeschwindigkeit
ergibt, daß beide Winkelgeschwindigkeiten ähnliche Werte
besitzen.
In Fig. 4 sind ferner die erfaßten Beschleunigungen Gsa
und Gsb gezeigt. Aus Fig. 4 ist ersichtlich, daß die er
faßten Beschleunigungen Gsa und Gsb eine kleine Verände
rungskomponente besitzen, wobei die kleine Veränderungs
komponente der Beschleunigung die Winkelgeschwindigkeit
beeinflußt, wodurch Veränderungskomponenten der Winkelge
schwindigkeit erzeugt werden. Es ist wünschenswert, diese
Veränderungskomponenten zu beseitigen, was durch ein Fil
ter wie etwa ein Tiefpaßfilter erreicht werden kann. Wenn
auf den Teil 5 der in Fig. 4 gezeigten Beschleunigungsda
ten geachtet wird, ist ersichtlich, daß die Beschleuni
gung der zur x-y-Ebene parallelen Bewegung schnell geän
dert wird. Bei einer solchen schnellen Änderung der Par
allelbewegungsbeschleunigung wird jedoch die Differenz
ΔG zwischen Gsa und Gsb nicht wesentlich geändert.
Nun wird mit Bezug auf Fig. 5 die Verarbeitungsschaltung
der Vorrichtung zur Erfassung der Winkelgeschwindigkeit
beschrieben.
Die Verarbeitungsschaltung umfaßt Signalverarbeitungs
schaltungen 10, 11 und 12 und eine CPU 13, ein ROM 14 und
ein RAM 15. Die CPU 13, das ROM 14 und das RAM 15 bilden
einen Computer, wobei die CPU 13 Rechenoperationen aus
führt und die Signalverarbeitungsschaltungen 10, 11 und
12 steuert. Ein Programm oder Betriebssystem (OS) zum
Ausführen der Operationen ist im ROM 14 gespeichert. Das
RAM 15 dient zum Speichern von Arbeitsdaten. Die von der
CPU 13 ausgeführte Verarbeitung umfaßt die Berechnung der
Gleichung (8) oder (10) und die Verarbeitung zum Steuern
der Signalverarbeitungsschaltungen 10, 11 und 12.
Genauer führt die CPU 13 die Verarbeitung der Änderung
der Zeitkonstanten der Filter der Signalverarbeitungs
schaltungen 10 und 11 und das Aussenden von Steuerbefeh
len bezüglich der Zeitkonstanten an die Signalverarbei
tungsschaltungen 10 und 11 aus. Ferner führt die CPU 13
eine Verarbeitung zur Nullpunktsverschiebung der Be
schleunigungsdifferenz 4G und zum Schicken des Ergebnis
ses an die Signalverarbeitungsschaltung 12 aus.
Obwohl die Signalverarbeitungsschaltung 10, 11 und 12
sowohl vom Analogtyp als auch vom Digitaltyp sein können,
besitzt die Schaltung 10 die Funktion einer Filterung und
Verstärkung der Ausgabe des Beschleunigungssensors 3,
ebenso besitzt die Schaltung 11 die Funktion der Filte
rung und der Verstärkung der Ausgabe des Beschleunigungs
sensors 2. Die Signalverarbeitungsschaltung 12 empfängt
die Ausgaben von den Beschleunigungssensoren 2 und 3,
filtert beide Ausgaben, erstellt eine Differenz zwischen
ihnen und verstärkt diese. Ferner besitzt die Schaltung
12 die Funktion, die Verschiebung der ausgegebenen Diffe
renz einzustellen.
Die von den Signalverarbeitungsschaltungen 10, 11 und 12
bewirkte Filterung wird ausgeführt, um kleine Veränderun
gen, die bei Gsa und Gsb auftreten und in Fig. 4 gezeigt
sind, zu beseitigen. D. h., daß eine Tiefpaßfilterung aus
geführt wird. In einem analogen Filter wird die CR-Zeit
konstante geändert. In einem später beschriebenen Bei
spiel wird hierfür der Widerstand R geändert.
Die Verstärkung wird ausgeführt, um die Ausgaben von den
Beschleunigungssensoren 2 und 3 zu verstärken, weil diese
Ausgaben zunächst einen sehr geringen Wert besitzen. Dies
wird mit Bezug auf die Fig. 6 und 7 erläutert.
In Fig. 6 ist eine Kennlinie der Ausgangsspannung gegen
über der in jedem Beschleunigungssensor zu erfassenden
Beschleunigung g gezeigt. Die Kennlinie besitzt einen li
nearen Verlauf, wie durch die gerade Linie dargestellt
wird. Die Beschleunigungssensoren 2 und 3 besitzen je
weils einen Aufbau, derart, daß die Sensorausgaben gleich
einer bestimmten Ausgangsspannung V2 sind, wenn die Be
schleunigung g den Wert 0 besitzt. Der Sensor besitzt we
gen der Gerichtetheit der Beschleunigung eine Polarität.
Die vom Sensor maximal erfaßbare Beschleunigung g ent
spricht einer Ausgangsspannung V1, während die untere
Grenze der vom Sensor erfaßbaren Beschleunigung g einer
Ausgangsspannung V3 entspricht.
Die Ausgangsspannungen V1 V2 und V3 eines jeden Be
schleunigungssensors 2 bzw. 3 liegen in einem Bereich
zwischen einigen Millivolt (mV) bis zu einigen Volt (V).
Im Falle einer Ausgabe von einigen Volt ist es nicht not
wendig, diese Ausgabe sehr zu verstärken, im Falle von
einigen Millivolt ist es jedoch wünschenswert, die Aus
gabe wesentlich zu verstärken. Insbesondere ist es erfor
derlich, daß die Signalverarbeitungsschaltung 12 eine
Verstärkungsfunktion aufweist. Die Schaltung 12 bildet
aus den Ausgaben der Beschleunigungssensoren 2 und 3 eine
Beschleunigungsdifferenz 4G. Diese Beschleunigungsdiffe
renz besitzt einen kleinen Wert. Ein Beispiel für die Be
schleunigungsdifferenz ist in Fig. 7, in der ferner Gier
geschwindigkeitsbedingungen dargestellt sind, gezeigt. Es
wird darauf hingewiesen, daß in Fig. 7 die Werte ΔG2 und
ΔG3 im Vergleich zu den Beschleunigungen Gsb und Gsa
sehr klein sind, während die Werte ΔG1 und ΔG4 nicht
derart klein sind. Daher ist eine Verstärkung der Diffe
renz 4G wünschenswert.
Die Einstellung der Verschiebung durch die Signalverar
beitungsschaltung 12 wird ausgeführt, um eine Änderung
der Genauigkeit eines jeden Beschleunigungssensors 2 bzw.
3 und die Änderung des Zeitintervalls, um das jede Senso
rausgabe verzögert wird, zu korrigieren. Wenn die Kennli
nien der Beschleunigungssensoren 2 und 3, wie sie in Fig.
6 gezeigt sind, miteinander übereinstimmen, entsteht kein
Problem. Manchmal stimmen diese Kennlinien jedoch nicht
überein.
Falls die Beschleunigungssensoren 2 und 3 in einem Kraft
fahrzeug angebracht sind, um beispielsweise die Gierge
schwindigkeit usw. zu ermitteln, ändern die Beschleuni
gungssensoren 2 und 3 ihre Kennlinien während der Lebens
dauer des Kraftfahrzeugs, also beispielsweise während 10
Jahren. Eine solche Anderung der Kennlinien tritt wahr
scheinlich auf, weil die im Kraftfahrzeug angebrachten
Beschleunigungssensoren ständig starken Vibrationen un
terworfen sind.
Die Signalverarbeitungsschaltung 12 stellt eine Beschleu
nigungsdifferenz 4G entsprechend einem Befehl von der
CPU 13 auf einen konstanten Verschiebungswert ein. Die
Einstellung dieser Verschiebung wird vorzugsweise während
eines Stillstands des Kraftfahrzeugs ausgeführt, nachdem
die Winkelgeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs erfaßt wor
den ist.
Ferner werden die Ausgaben der Beschleunigungssensoren 2
und 3 selbst über die Signalverarbeitungsschaltungen 10
und 11 in die CPU 13 eingegeben. Die Ausgabe, d.h. die
erfaßte Beschleunigung, wird für verschiedene Zwecke,
beispielsweise für die Erfassung der Giergeschwindig
keitsrichtung verwendet, wie in Fig. 7 gezeigt ist.
Gemäß der obigen Ausführungsform der vorliegenden Erfin
dung kann eine Winkelgeschwindigkeit des bewegten Körpers
1 mittels Erfassung der Beschleunigungen an verschiedenen
Punkten A und B und mittels Berechnung der Winkelge
schwindigkeit gemäß Gleichung (8) oder (10) erfaßt wer
den. Ferner können erfindungsgemäß Hochfrequenzkomponen
ten in den Ausgaben der Beschleunigungssensoren beseitigt
und ein Verschiebungswert konstant gehalten werden.
Nun wird mit Bezug auf die Fig. 8 bis 10 eine weitere
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
In Fig. 8 ist eine Verarbeitungsschaltung gezeigt, die
die analogen Signalverarbeitungsschaltungen 10, 11 und 12
enthält. Die Schaltungen 10, 11 und 12 sind ähnlich den
in Fig. 5 gezeigten Schaltungen aufgebaut, jedoch unter
scheidet sich die Schaltung 12 von der in Fig. 5 gezeig
ten Schaltung dadurch, daß die Ausgaben der Beschleuni
gungssensoren 2 und 3 nicht direkt, sondern über die Si
gnalverarbeitungsschaltungen 10 und 11 in die Schaltung
12 eingegeben werden. Dieser Aufbau besitzt den Vorteil,
daß die Signalverarbeitungsschaltung 12 keine Filterungs
funktion enthalten muß.
In Fig. 8 umfaßt die Signalverarbeitungsschaltung 10 ein
digitales Potentiometer 11, ein CR-Filter 12 bzw. 13 und
einen Operationsverstärker 14. Die Signalverarbeitungs
schaltung 11 besitzt den gleichen Aufbau wie die Signal
verarbeitungsschaltung 10, d. h. sie umfaßt ein digitales
Potentiometer 15, ein CR-Filter 16 bzw. 17 und einen Ope
rationsverstärker 18. Die Signalverarbeitungsschaltung 12
umfaßt Widerstände 19 und 20, die als Elemente für einen
Potentialteiler dienen, ein digitales Potentiometer 21,
Eingangswiderstände 22, 23 und 24, einen Differenzver
stärker 25 und einen Rückkopplungswiderstand 26.
Die Widerstandswerte R1, R2 und R3 der digitalen Poten
tiometer 11, 15 bzw. 21 können durch die CPU 13 geändert
werden. Die Potentiometer 11 und 15 werden zur Anpassung
des Widerstandsteils des CR-Filters verwendet, während
das Potentiometer 21 dazu verwendet wird, den Verschie
bungswert konstant zu halten.
Die Potentiometer 11, 15 und 21 werden jeweils auf die
gleiche Weise eingestellt: Wenn ein INC-
(Inkrementierungs-)Anschluß auf hohen Pegel gesetzt und
ein U/D-Anschluß auf D gesetzt werden, wird der Wider
stand des Potentiometers verkleinert. Wenn andererseits
der INC-Anschluß auf hohen Pegel und der U/D-Anschluß auf
U gesetzt werden, wird der Widerstand des Potentiometers
erhöht. Die Befehle H, U und D werden von der CPU 13 aus
gegeben.
Die Zeitkonstante des Filters wird durch die Potentiome
ter 11 und 15 geändert. Wenn ein Kraftfahrzeug, in dem
die Beschleunigungssensoren 2 und 3 angebracht sind, bei
spielsweise auf unebener Straße fährt, weisen die Ausga
ben der Beschleunigungssensoren 2 und 3 aufgrund von Vi
brationen des Kraftfahrzeugs ein aus verschiedenen Fre
quenzen bestehendes Rauschen auf. Wenn die CPU 13 derar
tige Bedingungen aufnimmt, wird die Änderung der Filter
charakteristik dazu verwendet, die Rauschkomponenten zu
beseitigen; wenn beispielsweise aufgrund einer unebenen
Straße starke Vibrationen auftreten, wird die Zeitkon
stante vergrößert, wodurch der Einfluß der vom Kraftfahr
zeug verursachten Vibrationen beseitigt wird.
Die in Fig. 8 gezeigten Signalverarbeitungsschaltungen 10
und 11 geben Signale aus, bei denen das in den Ausgaben
der Beschleunigungssensoren enthaltene Rauschen beseitigt
ist. Diese Signale werden direkt in die CPU 13 eingege
ben, damit sie dort weiter verwendet werden können. Fer
ner werden diese Signale in die Signalverarbeitungsschal
tung 12 eingegeben, die die Differenz zwischen ihnen bil
det und diese verstärkt. Die verstärkte Differenz wird in
die CPU 13 eingegeben, damit diese die Winkelgeschwindig
keit berechnet. Die Schaltung 12 steuert den Verschie
bungswert auf einen konstanten Wert ein, so daß das Er
gebnis durch Veränderungen in der Genauigkeit der Be
schleunigungssensoren 2 und 3 nicht negativ beeinflußt
wird.
Nun wird mit Bezug auf Fig. 9 ein Beispiel einer Steue
rung zum Halten des Verschiebungswertes auf einem kon
stanten Wert erläutert; in Fig. 9 ist ein Flußdiagramm
für eine von der CPU 13 ausgeführte Verarbeitung zum Kon
stanthalten eines Verschiebungswertes gezeigt, wobei als
Beispiel ein Kraftfahrzeug verwendet wird.
Die Verarbeitung wird durch eine Unterbrechung begonnen.
Dann wird zunächst in einem Schritt 30 ein Kanal F auf
hohen Pegel gesetzt. Anschließend wird in einem Schritt
31 geprüft, ob ein Anlasser betätigt wird. Wenn der An
lasser nicht betätigt wird, wird in einem Schritt 32 ge
prüft, ob die Fahrzeuggeschwindigkeit den Wert 0 besitzt.
Wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit nicht 0 ist, kehrt die
Verarbeitung zum Ausgangspunkt zurück, weil ein bei be
wegtem Fahrzeug ermittelter Wert nicht als Anfangswert
verwendet werden kann. Wenn der Anlasser in Betrieb ist
und die Fahrzeuggeschwindigkeit den Wert 0 besitzt, wird
eine verstärkte Differenzausgabe Vaus der Signalverarbei
tungsschaltung 12 im Schritt 33 in die CPU 13 eingelesen.
Im Schritt 34 wird geprüft, ob die Differenzausgabe Vaus
größer als ein vorgegebener Wert V01 ist. Wenn die Diffe
renzausgabe Vaus größer als der vorgegebene Wert V01 ist,
wird der Kanal E im Schritt 36 auf niedrigen Pegel ge
setzt, ferner wird der Kanal F im Schritt 38 ebenfalls
auf niedrigen Pegel gesetzt, wodurch der Widerstand des
Potentiometers 21 verkleinert wird. Wenn im Schritt 35
festgestellt wird, daß die verstärkte Differenzausgabe
Vaus kleiner als ein vorgegebener Wert V02 ist, der wie
derum kleiner als der Wert V01 ist (V01 < V02), wird der
Widerstand des Potentiometers 21 erhöht, indem der Kanal
E im Schritt 37 auf hohen Pegel und der Kanal F im
Schritt 39 auf niedrigen Pegel gesetzt werden. Wenn im
Schritt 35 festgestellt wird, daß die verstärkte Diffe
renzausgabe Vaus nicht kleiner als der vorgegebene Wert
V02 ist, d. h. wenn gilt, daß V02 Vaus V01, wird ange
nommen, daß der Verschiebungswert geeignet ist, so daß
die Verschiebungswertsteuerung damit abgeschlossen ist.
Eine Abnahme des Widerstandes des Potentiometers 21 in
den Schritten 36 und 38 oder eine Zunahme des Widerstan
des in den Schritten 37 und 39 wird zu jedem Unterbre
chungszeitpunkt, beispielsweise nach jeweils 10 ms, wie
derholt, bis die Bedingung V02 Vaus V01 erfüllt ist.
In diesem Fall nimmt U/D zwei Werte, "niedrig" und
"hoch", an. Damit U/D mit Fig. 8 übereinstimmt, bedeutet
"U" niedrigen Pegel und "D" hohen Pegel.
Wenn V01-V02 = ε (zulässiger Fehler) ist, gibt der Wert
von ε die Größe des Fehlers in der verstärkten Differenz
ausgabe an. D. h. je größer der Wert ε, desto größer der
Fehler.
Die Rechenoperation für die Gleichung (8) oder (10) wird
nicht beschrieben. Die Gleichung (8) oder (10) kann ent
weder direkt berechnet werden, oder es wird eine Bezie
hung zwischen der Beschleunigungsdifferenz 4G und einer
entsprechenden Winkelgeschwindigkeit in einer Tabelle ge
speichert, wie sie in Fig. 10 gezeigt ist, so daß eine
entsprechend Winkelgeschwindigkeit ωi aus ΔGi erhalten
werden kann.
In den Fig. 11A, 11B und 11C sind Beispiele gezeigt, in
denen Beschleunigungssensoren in einem Kraftfahrzeug an
gebracht sind. In jedem Beispiel sind zwei Paare von Be
schleunigungssensoren vorgesehen. In Fig. 11A sind Be
schleunigungssensoren A1 und B1 in einem vorderen bzw.
einem hinteren Bereich des Kraftfahrzeugs angebracht. Die
Beschleunigungssensoren A2 und B2 sind im Bodenbereich
bzw. im Dachbereich des Kraftfahrzeugs angebracht. Jedes
Paar von Beschleunigungssensoren A1 und B1 bzw. A2 und B2
kann eine Nickschwingungsgeschwindigkeit des Kraftfahr
zeugs erfassen. Unter der Annahme, daß eine Vor
wärts/Rückwärts-Richtung des Kraftfahrzeugs die x-Rich
tung in einer x-y-Ebene parallel zum Boden ist, bedeutet
die Nickschwingung eine Drehung der Karosserie um die zur
x-Achse senkrechte y-Achse.
Zur Berechnung der Nickschwingungsgeschwindigkeit wird
zwischen den Ausgaben der Beschleunigungssensoren A1 und
B1 eine Differenz erfaßt, woraufhin aufgrund dieser Dif
ferenz und einem Abstand zwischen den Beschleunigungssen
soren A1 und B1 die Nickschwingungsgeschwindigkeit be
rechnet wird. Auf ähnliche Weise kann die Nickschwin
gungsgeschwindigkeit auch unter Verwendung einer Ausgabe
differenz der Beschleunigungssensoren A2 und B2 und dem
räumlichen Abstand zwischen den Beschleunigungssensoren
A2 und B2 gemäß Gleichung (8) oder (10) erhalten werden.
In Fig. 11B ist ein Beispiel für die Anordnung eines
Paars von Beschleunigungssensoren A1 und B1 und eines
weiteren Paars von Beschleunigungssensoren A3 und B3 ge
zeigt, mit der eine Giergeschwindigkeit des Kraftfahr
zeugs erhalten wird. Jedes Paar von Sensoren A1 und B1
bzw. A3 und B3 kann eine Giergeschwindigkeit erfassen. In
Fig. 11B sind die Sensoren A3 und B3 an den jeweiligen
Seiten des Kraftfahrzeugs angebracht. Die Giergeschwin
digkeit bedeutet eine Winkelgeschwindigkeit um die zur x-
y-Ebene senkrechte z-Achse, wobei die x-y-Ebene wie oben
parallel zum Boden orientiert ist. Das Verfahren zur Be
rechnung oder Gewinnung der Giergeschwindigkeit gleicht
dem Verfahren zur Gewinnung der Nickschwingungsgeschwin
digkeit.
In Fig. 11C ist ein Beispiel für die Anordnung von Be
schleunigungssensoren zur Gewinnung einer Rollgeschwin
digkeit gezeigt. Die Beschleunigungssensoren A2 und B2
sind ähnlich wie die Sensoren A2 und B2 in Fig. 11A ange
ordnet. D. h., daß sie im Bodenbereich und im Dachbereich
des Kraftfahrzeugs angeordnet sind, so daß die Erfas
sungsrichtung für die Beschleunigung vertikal orientiert
ist. Ein weiteres Paar von Beschleunigungssensoren A3 und
B3 ist ähnlich wie das Paar A3 und B3 in Fig. 11B ange
ordnet, d. h., daß sie an den jeweiligen Seiten des Kraft
fahrzeugs angebracht sind, derart, daß die Beschleuni
gungserfassungsrichtungen einander gleich sind. Jedes
Paar von Beschleunigungssensoren kann eine Rollgeschwin
digkeit erfassen. Die Rollgeschwindigkeit ist eine Win
kelgeschwindigkeit um die x-Achse, die parallel zur
Fahrtrichtung des Kraftfahrzeugs orientiert ist. Die Re
chenoperation zur Gewinnung der Winkelgeschwindigkeit,
d. h. die Rollgeschwindigkeit um die x-Achse wird gemäß
Gleichung (8) oder (10) ausgeführt.
In einem Kraftfahrzeug sollten die Beschleunigungssenso
ren nicht an bewegten Teilen wie etwa an Türen angebracht
werden, weil die Erfassungsrichtung aufgrund zeitverzö
gerter Änderungen und einer Änderung der Anbringungsposi
tionen der Beschleunigungssensoren nicht konstant wäre.
Es ist wünschenswert, die Beschleunigungssensoren am Rah
men des Kraftfahrzeugs anzubringen.
In Fig. 12 ist ein Beispiel gezeigt, in dem die Beschleu
nigungssensoren 2 und 3 an einer Steuervorrichtung eines
Kraftfahrzeugs 1 angebracht sind. Hierbei ist die Steuer
vorrichtung durch irgendeine Steuervorrichtung wie etwa
eine Kraftstoffsteuerung, eine Zündsteuerung, eine auto
matische Geschwindigkeitssteuerung und dergleichen gege
ben. In Fig. 12 umfaßt die Steuervorrichtung 40 eine
(gedruckte) Leiterplatte 41, die horizontal an einem Teil
des Kraftfahrzeugs, etwa an einem Teil des Frontabschnit
tes des Kraftfahrzeugs angebracht ist. Wie in den Fig.
13a und 13b gezeigt, umfaßt die Steuerung 40 die Leiter
platte 41, ein die Leiterplatte 41 umgebendes Außenge
häuse 40A, das die Leiterplatte vor äußeren mechanischen
Einwirkungen schützt, und eine Verbindung für eine äußere
Schnittstelle. Die Leiterplatte 41 umfaßt verschiedene
Arten von integrierten Schaltungen, etwa LSI-Elementen,
die darauf angebracht sind. Die Beschleunigungssensoren 2
und 3 sind in gegenseitigem Abstand auf der Leiterplatte
so angebracht, daß der Abstand zwischen den Sensoren 2
und 3 nicht den größtmöglichen Wert besitzt.
In dieser Anordnung der Beschleunigungssensoren 2 und 3
liegt der Winkel Ra im Vergleich zu demjenigen in Fig. 1
verhältnismäßig nahe beim Winkel Rb. Daher ist eine Aus
gabedifferenz zwischen den Beschleunigungssensoren 2 und
3, die für die Berechnung der Winkelgeschwindigkeit ver
wendet wird, klein, so daß vorzugsweise ein Verstärker
mittel vorgesehen wird.
Nun wird mit Bezug auf Fig. 14 eine Steuervorrichtung,
die die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erfassung der
Winkelgeschwindigkeit verwendet, im einzelnen beschrie
ben.
Steuerungen, die die Giergeschwindigkeit verwenden, sind
etwa durch eine Antiblockier-Bremskraftsteuerung oder
durch eine Vierradlenkungs-Steuerung gegeben. Die Anti
blockier-Bremskraftsteuerung verhindert ein Blockieren
der Räder und unterdrückt das Auftreten eines vom Fahrer
nicht beabsichtigten Gierens, indem die Steuerung auf
eine erfaßte Giergeschwindigkeit zurückgreift. Die Vor
richtung zur Vierradlenkungs-Steuerung steuert die Hin
terräder eines Kraftfahrzeugs, derart, daß eine erfaßte
Giergeschwindigkeit einen Zielwert erreicht. Die Steuer
vorrichtung ist in Fig. 14 gezeigt und umfaßt einen Steu
erabschnitt 43, der einen Steuerungseingabe-Berechnungs
teil 44 und einen Giergeschwindigkeits-Berechnungsteil 45
aufweist, und ein Betätigungselement 46. In dieser Steu
ervorrichtung geben die an einer Fahrzeugkarosserie 47
angebrachten (nicht gezeigten) Beschleunigungssensoren
Beschleunigungsausgaben Gsa und Gsb aus, die auf diese
Weise erfaßt werden. Die Beschleunigungsausgaben Gsa und
Gsb werden in den Giergeschwindigkeits-Berechnungsteil 45
eingegeben, damit die Giergeschwindigkeit der Fahrzeugka
rosserie berechnet werden kann. Die Giergeschwindigkeit
wird mit einer Ziel-Giergeschwindigkeit verglichen, um
einen Unterschied festzustellen. Der Steuerungseingabe-
Berechnungsteil 44 berechnet eine Steuerungseingabe gemäß
diesem Unterschied und gibt eine Steuerungseingabe aus.
Das Betätigungselement 46 betätigt in der Antiblockier-
Bremskraftsteuerungsvorrichtung entsprechend der Steue
rungseingabe vom Steuerungseingabe-Berechnungsteil 44 die
Bremsen, während er in der Vierradlenkungs-Steuerungsvor
richtung die Hinterräder entsprechend einschlägt, um die
Bewegung der Fahrzeugkarosserie zu steuern. Dieser Vor
gang wird wiederholt, wobei die Giergeschwindigkeit die
Ziel-Giergeschwindigkeit erreicht.
Die erfindungsgemäße Anordnung der Beschleunigungssenso
ren 2 und 3 an einem bewegten Körper 1 ermöglicht die Er
fassung einer Beschleunigung des bewegten Körpers 1 in
einer bestimmten Richtung, die von der Richtung der Win
kelgeschwindigkeit verschieden ist.
Dies wird mit Bezug auf Fig. 1 erläutert. Hierbei wird
die Beschleunigung einer zur x-y-Ebene parallelen Bewe
gung des bewegten Körpers 1 in dessen Schwerpunkt mit ho
her Genauigkeit erhalten. Die Beschleunigung im Schwer
punkt werde durch Gc dargestellt. Dann ist Gc folgender
maßen gegeben:
Gc = Gla = Glb (11)
Dann kann diese Beschleunigung durch Umformung von Glei
chung (11) unter Verwendung von Gleichung (1) folgender
maßen dargestellt werden:
Gc = Gsa - Gya · cos Ra (12)
Hierbei ist Gya = Ra · ω². Die Gleichung (12) kann unter
Verwendung von Gleichung (4) und Gleichung (8) folgender
maßen umgeformt werden:
Gc = Gsa - [(Gsa - Gsb) · Ra · cos R]/[Ra · cos Ra - Rb · cos Rb] (13)
Gleichung (13) kann folgendermaßen vereinfacht werden:
Gc = [Ra · Gsb · cos Ra - Rb · Gsb · cos Rb]/[Ra · cos Ra - Rb · cos Rb] (14)
Gemäß Gleichung (14) wird die Beschleunigung aufgrund der
Zentrifugalkraft der Drehbewegung des bewegten Körpers
aufgehoben, so daß im Schwerpunkt 4 eine parallele Be
schleunigung erhalten wird.
Die obenerwähnten Signalverarbeitungsschaltungen sind von
analoger Bauart, es können jedoch für den gleichen Zweck
auch digitale Schaltungen verwendet werden. Für die Fil
terelemente und Verstärker können ebenfalls digitale Fil
ter und Verstärker verwendet werden.
Für den Computer kann ein digitaler Signalprozessor ver
wendet werden.
Es kann entweder eine Korrektur des Verschiebungswertes
der Beschleunigungsdifferenz, d. h. eine Nullpunkteinstel
lung der Beschleunigungsdifferenz ausgeführt werden; es
kann jedoch auch eine Nullpunkteinstellung der Ausgabe
eines jeden Beschleunigungssensors ausgeführt werden.
Ein typisches Beispiel eines die Erfindung betreffenden
bewegten Körpers stellt ein Kraftfahrzeug dar, ein wei
teres von vielen Beispielen ist durch eine Videokamera
gegeben. Die Videokamera wird durch die sie tragende Hand
geschüttelt. Die Winkelgeschwindigkeit der Schüttelbewe
gung der Videokamera durch die Hand kann erfaßt werden.
In der obigen Ausführungsform der Erfindung sind zwei Be
schleunigungssensoren in derselben Erfassungsrichtung an
geordnet. Selbst wenn jedoch die Beschleunigungssensoren
in etwas unterschiedlichen Richtungen angeordnet sind,
kann eine Winkelgeschwindigkeit erfaßt werden.
Die erfaßte Winkelgeschwindigkeit kann zur Steuerung ei
ner Traktionssteuerung, die von einer Antiblockier-Brems
kraftsteuerung verschieden ist, und für eine Vierradlen
kungs-Steuerung verwendet werden.
Erfindungsgemäß sind wenigstens zwei Beschleunigungssen
soren an einem bewegten Körper angebracht, wodurch eine
parallele Beschleunigung bei einer zum Boden parallelen
Bewegung des bewegten Körpers gemessen werden kann, wobei
die Bewegung eine Drehbewegung und eine Translationsbewe
gung enthält. Ferner kann eine Winkelgeschwindigkeit ohne
Beeinflussung durch die translatorische Beschleunigung
gemessen werden.
Die für die Vorrichtung zur Erfassung der Winkelgeschwin
digkeit verwendeten Beschleunigungssensoren besitzen im
Vergleich zu einem herkömmlichen optischen Gyroskop, ei
nem Vibrationsgyroskop und dergleichen einen sehr einfa
chen Aufbau (z. B. von kontaktloser Bauart), so daß die
Vorrichtung zur Erfassung der Winkelgeschwindigkeit bei
niedrigen Kosten hergestellt werden kann.
Der Beschleunigungssensor selbst besitzt kleinere Abmes
sungen als andere Winkelgeschwindigkeitssensoren, so daß
der Beschleunigungssensor leicht in einer Hand-Videoka
mera eingebaut werden kann, um so die Winkelgeschwindig
keit des Schüttelns der Kamera durch die Hand erfassen zu
können.
Während eines Stillstands des zu messenden bewegten Kör
pers wird die Nullpunkteinstellung der Vorrichtung zur
Erfassung der Winkelgeschwindigkeit ausgeführt, so daß
selbst bei einer Verschiebung, die durch eine Änderung
der Verzögerungszeit der Beschleunigungssensoren verur
sacht wird, eine genaue Winkelgeschwindigkeit gemessen
werden kann, ohne von der Verschiebung beeinflußt zu wer
den.
Ferner wird eine Differenz der Ausgangsspannung der Be
schleunigungssensoren verstärkt, wodurch die Genauigkeit
der erfaßten Winkelgeschwindigkeit selbst dann erhöht
werden kann, wenn die Vorrichtung bei einer A/D-Umsetzung
eine begrenzte Auflösung besitzt.
Eine Differenz zwischen den Ausgaben der Beschleunigungs
sensoren wird nach der Filterung durch hardwaremäßige
oder softwaremäßige Filter berechnet, so daß die berech
nete Winkelgeschwindigkeit von einem Hochfrequenzrauschen
nicht beeinflußt werden kann.
Indem die Zeitkonstante in den obenerwähnten Filtern va
riabel gemacht wird, kann eine Schwankung der Ausgabe der
Vorrichtung zur Erfassung der Winkelgeschwindigkeit unter
schlechten Bedingungen, bei denen etwa die Vorrichtung in
einem auf unebener Straße fahrenden Kraftfahrzeug ange
bracht ist, unterdrückt werden.
Wenn ferner die Beschleunigungssensoren für die Vorrich
tung zur Erfassung der Winkelgeschwindigkeit in einer in
einem Kraftfahrzeug angebrachten Steuervorrichtung wie
etwa einer Antiblockier-Bremskraftsteuerungsvorrichtung
oder einer Vierradlenkungs-Steuerungsvorrichtung einge
baut sind, können Kabelstränge weggelassen werden, ferner
kann ein in die Vorrichtung eindringendes elektromagneti
sches Rauschen verringert werden.
Wenn die Vorrichtung zur Erfassung der Winkelgeschwindig
keit für eine Rückkopplungssteuerung des Gierens des
Kraftfahrzeugs verwendet wird, kann die Sicherheit des
Kraftfahrzeugs, d. h. die Lenksicherheit erhöht werden.
Wenn ferner die Beschleunigungssensoren in einer Ebene
parallel zum Boden des Kraftfahrzeugs eingebaut werden
und die zwei Beschleunigungssensoren im vorderen und im
hinteren Teil des Kraftfahrzeugs in einer Linie zueinan
der oder zur Längsrichtung seitlich versetzt eingebaut
werden, können sowohl die Schwerpunktsbeschleunigung in
Vorwärts- und Rückwärtsrichtung des Kraftfahrzeugs bzw.
die Schwerpunktsbeschleunigung in seitlicher Richtung,
also die Querbeschleunigung des Kraftfahrzeugs, als auch
die Giergeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs gleichzeitig
erfaßt werden.
Ferner kann anhand einer vorgeschriebenen Funktion der
Ausgaben der an einem bewegten Körper angebrachten zwei
Beschleunigungssensoren, die der Kompensation einer Be
schleunigungskomponente in Richtung der Zentrifugalkraft
dient, eine zum Boden parallele Beschleunigungskomponente
des bewegten Körpers genau erfaßt werden.
Claims (15)
1. Vorrichtung zur Erfassung einer Winkelgeschwin
digkeit eines bewegten Körpers (1),
gekennzeichnet durch
einen ersten und einen zweiten Beschleunigungs sensor (2, 3), die jeweils eine Erfassungsrichtung besit zen;
Mittel zum Anbringen des ersten und des zweiten Beschleunigungssensors (2, 3) am bewegten Körper (1), derart, daß der erste und der zweite Beschleunigungssen sor (2, 3) in einer Ebene im wesentlichen die gleiche Er fassungsrichtung besitzen und in einem gegenseitigen Ab stand in der Erfassungsrichtung angeordnet sind; und
ein Mittel (10 bis 15) zum Erfassen der Winkelge schwindigkeit des bewegten Körpers (1) um eine Achse, die zu der Ebene, in der der erste und der zweite Beschleuni gungssensor (2, 3) angeordnet sind, senkrecht orientiert ist, wobei die Erfassung auf der Grundlage der Ausgaben des ersten und des zweiten Beschleunigungssensors (2, 3) und einer räumlichen Beziehung zwischen diesen ausgeführt wird.
einen ersten und einen zweiten Beschleunigungs sensor (2, 3), die jeweils eine Erfassungsrichtung besit zen;
Mittel zum Anbringen des ersten und des zweiten Beschleunigungssensors (2, 3) am bewegten Körper (1), derart, daß der erste und der zweite Beschleunigungssen sor (2, 3) in einer Ebene im wesentlichen die gleiche Er fassungsrichtung besitzen und in einem gegenseitigen Ab stand in der Erfassungsrichtung angeordnet sind; und
ein Mittel (10 bis 15) zum Erfassen der Winkelge schwindigkeit des bewegten Körpers (1) um eine Achse, die zu der Ebene, in der der erste und der zweite Beschleuni gungssensor (2, 3) angeordnet sind, senkrecht orientiert ist, wobei die Erfassung auf der Grundlage der Ausgaben des ersten und des zweiten Beschleunigungssensors (2, 3) und einer räumlichen Beziehung zwischen diesen ausgeführt wird.
2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Mittel (10 bis 15) zur Erfassung der
Winkelgeschwindigkeit die Winkelgeschwindigkeit (ω) des
bewegten Körpers (1) gemäß der Gleichung
ω = (ΔG/R)1/2berechnet, wobei ΔG eine Differenz zwischen der vom er
sten Beschleunigungssensor (2) erfaßten Beschleunigung
und der vom zweiten Beschleunigungssensor (3) erfaßten
Beschleunigung und R der Abstand zwischen dem ersten und
dem zweiten Beschleunigungssensor (2, 3) in Beschleuni
gungsrichtung ist.
3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Mittel (10 bis 15) zum Erfassen der
Winkelgeschwindigkeit eine Korrektureinrichtung zur Ein
stellung des Nullpunkts der Differenz zwischen den Ausga
ben vom ersten und vom zweiten Beschleunigungssensor (2,
3) aufweist, wobei die Nullpunktseinstellung von der Kor
rektureinrichtung während eines Stillstands des bewegten
Körpers (1) ausgeführt wird.
4. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Mittel (10 bis 15) zur Erfassung der
Winkelgeschwindigkeit eine Filtereinrichtung (16, 17) zum
Ausführen einer Tiefpaßfilterung der Ausgabe sowohl des
ersten als auch des zweiten Beschleunigungssensors (2, 3)
und eine Einrichtung (25) zur Berechnung einer Differenz
zwischen den Ausgaben, die die Filtereinrichtung (16, 17)
durchlaufen haben, umfaßt.
5. Vorrichtung zur Erfassung einer Winkelgeschwin
digkeit eines Kraftfahrzeugs,
gekennzeichnet durch
einen ersten und einen zweiten Beschleunigungs sensor (2, 3), die jeweils eine Erfassungsrichtung besit zen;
Mittel zum Anbringen des ersten und des zweiten Beschleunigungssensors (2, 3) an der Fahrzeugkarosserie (1) des Kraftfahrzeugs, derart, daß sie in einer zum Bo den des Kraftfahrzeugs im wesentlichen parallelen Ebene angeordnet werden, wobei die Erfassungsrichtungen der beiden Sensoren (2, 3) im wesentlichen übereinstimmen und der erste Beschleunigungssensor (2) vom zweiten Beschleu nigungssensor (3) getrennt ist, um in der Erfassungsrich tung einen gegenseitigen Abstand (R) zwischen dem ersten und dem zweiten Beschleunigungssensor (2, 3) zu schaffen; und
ein Mittel (10 bis 15) zur Erfassung einer Win kelgeschwindigkeit (ω) der Bewegung des Kraftfahrzeugs um eine zu der Ebene senkrechte Achse auf der Grundlage ei ner Differenz (ΔG) zwischen den Ausgaben vom ersten (2) und vom zweiten (3) Sensor und dem Abstand (R) gemäß der Beziehung ω = (ΔG/R)1/2.
einen ersten und einen zweiten Beschleunigungs sensor (2, 3), die jeweils eine Erfassungsrichtung besit zen;
Mittel zum Anbringen des ersten und des zweiten Beschleunigungssensors (2, 3) an der Fahrzeugkarosserie (1) des Kraftfahrzeugs, derart, daß sie in einer zum Bo den des Kraftfahrzeugs im wesentlichen parallelen Ebene angeordnet werden, wobei die Erfassungsrichtungen der beiden Sensoren (2, 3) im wesentlichen übereinstimmen und der erste Beschleunigungssensor (2) vom zweiten Beschleu nigungssensor (3) getrennt ist, um in der Erfassungsrich tung einen gegenseitigen Abstand (R) zwischen dem ersten und dem zweiten Beschleunigungssensor (2, 3) zu schaffen; und
ein Mittel (10 bis 15) zur Erfassung einer Win kelgeschwindigkeit (ω) der Bewegung des Kraftfahrzeugs um eine zu der Ebene senkrechte Achse auf der Grundlage ei ner Differenz (ΔG) zwischen den Ausgaben vom ersten (2) und vom zweiten (3) Sensor und dem Abstand (R) gemäß der Beziehung ω = (ΔG/R)1/2.
6. Vorrichtung gemäß Anspruch 5, dadurch gekenn
zeichnet, daß der erste und der zweite Beschleunigungs
sensor (2, 3) in einem vorderen bzw. in einem hinteren
Bereich des Kraftfahrzeugs angebracht sind.
7. Vorrichtung gemäß Anspruch 6, dadurch gekenn
zeichnet, daß die erfaßte Winkelgeschwindigkeit eine
Giergeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs ist und der erste
und der zweite Beschleunigungssensor (2, 3) in einem vor
deren Bereich bzw. in einem hinteren Bereich des Kraft
fahrzeugs angebracht sind.
8. Vorrichtung gemäß Anspruch 6, dadurch gekenn
zeichnet, daß eine Nullpunkt-Einstelleinrichtung (12)
vorgesehen ist, um die Differenz zwischen den Ausgaben
des ersten und des zweiten Beschleunigungssensors (2, 3)
während eines Stillstands des Kraftfahrzeugs auf Null
einzustellen.
9. Vorrichtung gemäß Anspruch 6, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Mittel (10 bis 15) zur Erfassung einer
Winkelgeschwindigkeit eine Einrichtung (16, 17) zum Fil
tern der Ausgaben vom ersten und vom zweiten Beschleuni
gungssensor (2, 3) umfaßt, um nur die Niederfrequenzkom
ponenten der Ausgaben durchzulassen.
10. Vorrichtung gemäß Anspruch 9, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Frequenzcharakteristik der Filterungs
einrichtung (16, 17) anhand der Bedingungen, unter denen
das Kraftfahrzeug bewegt wird, veränderbar ist.
11. Vorrichtung gemäß Anspruch 6, dadurch gekenn
zeichnet, daß der erste und der zweite Beschleunigungs
sensor (2, 3) auf dem Trägersubstrat einer Steuervorrich
tung angebracht sind.
12. Vorrichtung zur Erfassung einer physikalischen
Größe der Bewegung eines bewegten Körpers (1), wobei die
Bewegung eine zu einer Ebene parallele Bewegung und eine
Drehbewegung um eine zu dieser Ebene senkrechte Achse um
faßt,
gekennzeichnet durch
einen ersten und einen zweiten Beschleunigungs sensor (2, 3), die jeweils eine Erfassungsrichtung besit zen;
Mittel zum Anbringen des ersten und des zweiten Beschleunigungssensors (2, 3) am bewegten Körper (1), derart, daß die Beschleunigungssensoren in der Ebene in einem gegenseitigen Abstand (R) in Erfassungsrichtung an geordnet werden; und
ein Mittel (10 bis 15) zum Berechnen einer physi kalischen Größe, die entweder die Winkelgeschwindigkeit der Drehbewegung oder die Beschleunigung der parallelen Bewegung des bewegten Körpers (1) darstellt, wobei die Berechnung auf der Grundlage einer Differenz zwischen den Ausgaben des ersten und des zweiten Beschleunigungssen sors (2, 3) und des Abstandes (R) zwischen dem ersten und dem zweiten Beschleunigungssensor (2, 3) in Erfassungs richtung ausgeführt wird.
einen ersten und einen zweiten Beschleunigungs sensor (2, 3), die jeweils eine Erfassungsrichtung besit zen;
Mittel zum Anbringen des ersten und des zweiten Beschleunigungssensors (2, 3) am bewegten Körper (1), derart, daß die Beschleunigungssensoren in der Ebene in einem gegenseitigen Abstand (R) in Erfassungsrichtung an geordnet werden; und
ein Mittel (10 bis 15) zum Berechnen einer physi kalischen Größe, die entweder die Winkelgeschwindigkeit der Drehbewegung oder die Beschleunigung der parallelen Bewegung des bewegten Körpers (1) darstellt, wobei die Berechnung auf der Grundlage einer Differenz zwischen den Ausgaben des ersten und des zweiten Beschleunigungssen sors (2, 3) und des Abstandes (R) zwischen dem ersten und dem zweiten Beschleunigungssensor (2, 3) in Erfassungs richtung ausgeführt wird.
13. Vorrichtung gemäß Anspruch 12, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Mittel (10 bis 15) zur Erfassung einer
physikalischen Größe eine Filtereinrichtung (16, 17) zum
Filtern der Ausgaben vom ersten und vom zweiten Beschleu
nigungssensor (2, 3) umfaßt.
14. Vorrichtung gemäß Anspruch 12, dadurch gekenn
zeichnet, daß die berechnete Beschleunigung die Beschleu
nigung der parallelen Bewegung des bewegten Körpers (1)
in dessen Schwerpunkt ist.
15. Steuervorrichtung zur Steuerung der Bewegung ei
nes bewegten Körpers (1) ,
gekennzeichnet durch
einen ersten und einen zweiten Beschleunigungs sensor (2, 3), die jeweils eine Erfassungsrichtung besit zen und eine der erfaßten Beschleunigung entsprechende Ausgabe ausgeben;
Mittel zum Befestigen des ersten und des zweiten Beschleunigungssensors (2, 3) am bewegten Körper (1), derart, daß sie in einer Ebene des bewegten Körpers (1) in einem gegenseitigen Abstand in der Erfassungsrichtung angeordnet werden;
ein Mittel (10 bis 15) zum Erfassen einer Winkel geschwindigkeit (ω) des bewegten Körpers (1) um eine zu der Ebene des bewegten Körpers (1) senkrechte Achse gemäß der Beziehung ω = (ΔG/R)1/2, wobei ΔG die Differenz zwi schen den Ausgaben vom ersten und vom zweiten Beschleuni gungssensor (2, 3) ist;
eine Vergleichseinrichtung (13) zum Vergleichen einer Ziel-Winkelgeschwindigkeit des bewegten Körpers (1) mit der erfaßten Winkelgeschwindigkeit, um eine Differenz zu erzeugen;
ein Mittel (44) zum Erzeugen einer der Differenz zwischen der Ziel-Winkelgeschwindigkeit und der erfaßten Winkelgeschwindigkeit entsprechenden Steuerungsangabe; und
ein Betätigungselement (46), das am bewegten Kör per (1) angebracht ist, um aufgrund der Steuerungseingabe ein Steuerelement so zu betätigen, daß sich die Winkelge schwindigkeit des bewegten Körpers (1) dem Zielwert annä hert.
einen ersten und einen zweiten Beschleunigungs sensor (2, 3), die jeweils eine Erfassungsrichtung besit zen und eine der erfaßten Beschleunigung entsprechende Ausgabe ausgeben;
Mittel zum Befestigen des ersten und des zweiten Beschleunigungssensors (2, 3) am bewegten Körper (1), derart, daß sie in einer Ebene des bewegten Körpers (1) in einem gegenseitigen Abstand in der Erfassungsrichtung angeordnet werden;
ein Mittel (10 bis 15) zum Erfassen einer Winkel geschwindigkeit (ω) des bewegten Körpers (1) um eine zu der Ebene des bewegten Körpers (1) senkrechte Achse gemäß der Beziehung ω = (ΔG/R)1/2, wobei ΔG die Differenz zwi schen den Ausgaben vom ersten und vom zweiten Beschleuni gungssensor (2, 3) ist;
eine Vergleichseinrichtung (13) zum Vergleichen einer Ziel-Winkelgeschwindigkeit des bewegten Körpers (1) mit der erfaßten Winkelgeschwindigkeit, um eine Differenz zu erzeugen;
ein Mittel (44) zum Erzeugen einer der Differenz zwischen der Ziel-Winkelgeschwindigkeit und der erfaßten Winkelgeschwindigkeit entsprechenden Steuerungsangabe; und
ein Betätigungselement (46), das am bewegten Kör per (1) angebracht ist, um aufgrund der Steuerungseingabe ein Steuerelement so zu betätigen, daß sich die Winkelge schwindigkeit des bewegten Körpers (1) dem Zielwert annä hert.
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