DE69100195T2

DE69100195T2 - Gerät zur Kursbestimmung.

Info

Publication number: DE69100195T2
Application number: DE91302675T
Authority: DE
Inventors: Shinichi Matsuzaki
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1990-03-28
Filing date: 1991-03-27
Publication date: 1994-03-17
Anticipated expiration: 2011-03-28
Also published as: US5235514A; JPH03279809A; EP0451988A1; DE69100195D1; EP0451988B1

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Gerät zur Bestimmung eines Kurses (Azimuth) und insbesondere auf ein Gerät, welches den Kurs der Gierungsrichtung eines sich bewegenden Körpers durch die Benutzung eines magnetischen Sensors und eines Lenkwinkelgeschwindigkeitssensors (wie bspw. eines Kreisels mit optischen Fasern, eines mechanischen Kreisels, eines Vibrationskreisels, eines Gasgeschwindigkeitskreisels) für die Erfassung der Bewegungsrichtung und der Lenkwinkelgeschwindigkeit des sich bewegenden Körpers bestimmt.

Beschreibung des Standes der Technik

Als ein Verfahren zur Bereitstellung von Informationen über den aktuellen Ort der Fahrstraßen eines Fahrzeuges, der Navigationsluftwege eines Flugzeuges oder der Naviagationsseerouten eines Schiffes ist eine sog. "Gissung" bekannt, bei welcher ein Entfernungssensor, ein Kurssensor (magnetischer Sensor oder Lenkwinkelgeschwindigkeitssensor) und ein Datenverarbeitungsgerät (bspw. ein Computer) für eine Verarbeitung der Daten und den Kurs verarbeitet werden, die von den Entfernungs- und Kurssensoren erhalten werden, und die gegenwärtigen Ortsdaten eines beweglichen Körpers werden erhalten durch Verwendung eines Betrages der Entfernungsänderung δ1 und eines Kurses θ (im Fall des magnetischen Sensors) oder eines Betrages der Kursänderung δθ im Falle des Lenkwinkelgeschwindigkeitssensors). Eine Beschreibung des "Fahrzeuges" wird weiter unten vorgelegt, und in dem Fall, wo eine "Bewegung" des Fahrzeuges und eine "Navigation" des Flugzeuges oder des Schiffes gemeinsam verwendet werden, wird auch der Begriff der "Bewegung" benutzt. Bei dem Verfahren der Gissung werden die Ost-West- Richtungskomponente δx (= δ1 x cos θ) und die Süd-Nord- Richtungskomponente δy (= δ1 x sin θ) des Betrages der Entfernungsänderung δ1, die bei der Bewegung des Fahrzeuges entlang einer Straße stattfindet, berechnet, und die aktuellen Ortsausgangsdaten (Px, Py) werden erhalten durch eine Addition der berechneten Komponenten δx und δy zu den vorhergehenden Ortsausgangsdaten (Px', Py') . Die herkömmlichen Systeme, die eine Gissung benutzen, haben jedoch die Nachteile, daß als Folge der vorhandenen Begrenzungen bei der erreichbaren Genauigkeit des Kurssensors eine Fehleransammlung stattfindet.
Wenn nämlich der Kurssensor ein Magnetsensor ist, der den Erdmagnetismus zur Bereitstellung des absoluten Kurses eines beweglichen Körpers erfaßt, dann erfaßt der Magnetsensor die schwache Intensität des Erdmagnetfeldes. Wenn der sich bewegende Körper magnetisiert ist, findet deshalb ein Fehler in den Ausgangsdaten des Magnetsensors statt. Um diesen Fehler zu kompensieren, wird eine Initialisierung des Magnetsensors vorgenommen. Wenn der sich bewegende Körper durch Regionen hindurchgeht, die eine magnetische Turbulenz aufweisen, wie bspw. Schienenkreuzungen, Orte, wo Stromkabel vergraben sind, Eisenbrücken, Schnellstraßen mit Geräuschisolierungswänden und hohen Gebäuden, so wird der sich bewegende Körper jedoch dem Einfluß des starken elektromagnetischen Feldes ausgesetzt, sodaß sich deshalb der Betrag der Magnetisierung des sich bewegenden Körpers verändert. Aus diesem Grund tritt daher der Fehler manchmal erneut während des Fahrens auf. Wenn daher die Ausgangsdaten des Magnetsensors, die eine solche magnetische Turbulenz einschließen, genau erfaßt und entfernt werden, kann ein genauer Kurs des sich bewegenden Körpers nicht erhalten werden.
Wenn andererseits der Lenkwinkelgeschwindigkeitssensor verwendet wird, so ist dafür bekannt, daß ein Fehler bei den Sensorausgangsdaten häufig auftritt, wenn die Zeitänderungen bei dem Kurs größer als ein vorbestimmter Wert werden, zu dem Zeitpunkt, wenn die Stromquelle eingeschaltet wird, zu dem Zeitpunkt, wenn sich das Fahrzeug mit sehr niedrigen Geschwindigkeiten bewegt, oder zu dem Zeitpunkt, wenn erfaßt wird, daß sich das Fahrzeug auf rauhen Straßen bewegt, wie bspw. auf Bergstraßen. Sofern dieser Fehler nicht kompensiert wird, werden die Gissungspositionen zunehmend unpräzise oder ungenau.
Es ist dann auch bereits vorgeschlagen worden, den Lenkwinkelgeschwindigkeitssensor und den Magnetsensor gemeinsam als einen Kurssensor zu verwenden. Wenn entweder die Ausgangsdaten des Lenkwinkelgeschwindigkeitssensors oder die Ausgangsdaten des Magnetsensors weniger zuverlässig sind, dann können die einen Daten durch die anderen Daten kompensiert werden.
Bei einem Kursbestimmungsgerät, bei welchem der aktuelle Ort eines sich bewegenden Körpers durch ein Auslesen und Speichern der Ausgangsdaten der Lenkwinkelgeschwindigkeit- und Magnetsensoren erhalten wird, und der aktuelle Kurs des sich bewegenden Körpers aus diesen Sensorausgangsdaten und dem vorhergehend bestimmten Kurs berechnet wird, kann dann ein aktuell geschätzter Kurs des sich bewegenden Körpers erhalten werden durch eine Berechnung einer Kalmanfilter- Verstärkung unter Berücksichtigung der charakteristischen Fehler, die in den Ausgangsdaten der Lenkwinkelgeschwindigkeit- und Magnetsensoren eigenständig enthalten sind, und durch eine Verarbeitung der Kursdaten des Magnetsensors und der Kursdaten, die von dem Ausgang des Lenkwinkelgeschwindigkeitssensors berechnet wurden, mit einem Verarbeitungsverfahren der Abwägung, welches auf der berechneten Kalmanfilter-Verstärkung basiert. Bei diesem Verfahren ergibt sich jedoch ein Problem, wie die charakteristischen Fehlerkomponenten, die in den Ausgangsdaten der Lenkwinkelgeschwindigkeit- und Magnetsensoren enthalten sind, bewertet werden.
Die einzelnen Fehlerkomponenten werden nämlich durch verschiedene Verfahren bewertet, und wenn diese auf konstante Werte eingestellt werden, so kann die Verarbeitung am einfachsten ausgeführt werden. Die Einstellung der konstanten Werte ist jedoch nicht ausreichend, weil die Fehlerkomponente in dem Ausgang des Magnetsensors während der Fahrt durch die Änderungen in dem magnetisierten Betrag manchmal rasch vergrößert wird, sodaß es wünschenswert ist, die Fehlerkomponenten durch irgendein Verfahren zu einer Realzeit genau zu bewerten. Da ein in den Ausgangsdaten des Lenkgeschwindigkeitssensors enthaltener Versatz mit der Zeit wechselt, ist es zusätzlich erforderlich, den Fehler in den Daten des Lenkwinkelgeschwindigkeitssensors zu berücksichtigen, die aus dieser Änderung resultieren.
Der Erfinder der vorliegenden Erfindung hat ein Kursbestimmungsgerät (JP-A-1-329 851) vorgeschlagen, welches die Ausgangsdaten der Lenkwinkelgeschwindigkeit- und Magnetsensoren mißt und sie zu einer Realzeit verarbeitet, wobei dieses Gerät fähig ist für eine genaue Schätzung des aktuellen Kurses eines sich bewegenden Körpers mit der Unterstützung von Daten, deren Zuverlässigkeit größer ist als jede der Ausgangsdaten der Lenkwinkelgeschwindigkeit- und Magnetsensoren. Bei diesem Gerät wird nur ein Änderungswert, der in den Ausgangsenddaten der Lenkwinkelgeschwindigkeit- und Magnetsensoren enthalten ist, gemessen, und die Verarbeitung wird in Abhängigkeit von diesem gemessenen Änderungswert durchgeführt. Dieses Gerät berücksichtigt daher nicht einzelne Fehlerfaktoren, die in den Ausgangsdaten der Lenkwinkelgeschwindigkeit- und Magnetsensoren enthalten sind.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, ein Kursbestimmungsgerät bereitzustellen, welches den aktuellen Kurs eines sich bewegenden Körpers genau schätzen kann durch eine individuelle Analysierung und Bewertung der Fehlerfaktoren, die in den Kursdaten des Magnetsensors und in den Winkelgeschwindigkeitsdaten des Lenkwinkelgeschwindigkeitssensors enthalten sind, und durch eine Bestimmung der Benutzungsrate der Ausgangsdaten der Lenkwinkelgeschwindigkeit- und Magnetsensoren.

Zusammenfassung der Erfindung

Um die vorstehende Aufgabe zu lösen, besteht ein Gerät zur Kursbestimmung gemäß der vorliegenden Erfindung, wie in Fig. 1 gezeigt, aus einem Lenkwinkelgeschwindigkeitssensor zum Erfassen eines Kurses eines sich bewegenden Körpers und einem Magnetsensor zum Erfassen eines Kurses des sich bewegenden Körpers. Eine erste Einrichtung (A) ist mit dem Lenkwinkelgeschwindigkeitssensor verbunden, um einen Versatzwert zu berechnen, der in einem Ausgang des Lenkwinkelgeschwindigkeitssensors enthalten ist, wenn der sich bewegende Körper einen gestoppten Zustand einnimmt, und zum Berechnen eines Fehlers des Versatzwertes. Eine zweite Einrichtung (B) ist mit der ersten Einrichtung (A) verbunden, um eine Zeitänderungsrate des Versatzwertes und einen Fehler der Zeitänderungsrate zu berechnen. Eine dritte Einrichtung (C) ist mit der ersten Einrichtung (A) und mit der zweiten Einrichtung (B) zum Berechnen eines aktuellen Fehlers verbunden, der in dem Ausgang des Lenkwinkelgeschwindigkeitssensors enthalten ist, in Übereinstimmung mit dem Fehler des Versatzwertes multipliziert mit der vergangenen Zeit nach dem Bewegungsstart des beweglichen Körpers und mit dem Fehler der Zeitänderungsrate des Versatzwertes multipliziert mit der vergangenen Zeit nach dem Bewegungsstart des beweglichen Körpers. Eine vierte Einrichtung (D) ist mit dem Magnetsensor verbunden, um einen magnetisierten Betrag des sich bewegenden Körpers und einen Fehler des magnetisierten Betrages aus den Kursdaten zu berechnen, die von dem Magnetsensor unter einer vorbestimmten Bedingung geliefert werden, während der sich bewegende Körper seinen Bewegungszustand einnimmt. Eine fünfte Einrichtung (E) ist mit der vierten Einrichtung (D) verbunden, um eine Änderung des magnetisierten Betrages des sich bewegenden Körpers und einen Fehler dieser Änderung aus den Kursdaten zu berechnen, die von dem Magnetsensor geliefert werden, während der sich bewegende Körper seinen Bewegungszustand einnimmt. Eine sechste Einrichtung (F) ist mit der fünften Einrichtung (E) verbunden, um einen aktuellen magnetisierten Betrag des sich bewegenden Körpers und einen Fehler des aktuellen magnetisierten Betrages in Übereinstimmung mit dem magnetisierten Betrag des sich bewegenden Körpers und des Fehlers des magnetisierten Betrages zu berechnen, die durch die vierte Einrichtung (D) berechnet wurden, und mit der Änderung des magnetisierten Betrages des sich bewegenden Körpers und des Fehlers der Änderung, die durch die fünfte Einrichtung (E) berechnet wurden. Eine siebte Einrichtung (G) ist mit den Lenkwinkelgeschwindikeit- und Magnetsensoren verbunden, um eine Änderung eines Unterschiedes zwischen den Kursdaten von dem Lenkwinkelgeschwindigkeitssensor und den Kursdaten zu berechnen, die von dem Ausgang des Magnetsensors berechnet werden. Eine achte Einrichtung (H) ist mit der sechsten Einrichtung (F) und mit der siebten Einrichtung (G) verbunden, um einen Fehler zu berechnen, der in dem Kursausgang des Magnetsensors enthalten ist, in Übereinstimmung mit der Änderung des Unterschiedes zwischen den Kursdaten von dem Magnetsensor und den Kursdaten, die von dem Ausgang des Lenkwinkelgeschwindigkeitssensors zu berechnen sind, der durch die siebte Einrichtung (G) berechnet wurde, und in Übereinstimmung mit dem Fehler des aktuellen magnetisierten Betrages des sich bewegenden Körpers, der von der sechsten Einrichtung (F) berechnet wird. Eine neunte Einrichtung (I) ist mit der dritten Einrichtung (C) und mit der achten Einrichtung (H) verbunden, um eine Kalmanfilter- Verstärkung zu berechnen durch Berechnung einer Zuverlässigkeit der Ausgangsdaten der Lenkwinkelgeschwindigkeit- und Magnetsensoren von dem Fehler in dem Ausgang des Lenkwinkelgeschwindigkeitssensors, der durch die dritte Einrichtung (C) berechnet wurde, und von dem Fehler in den Kursausgangsdaten des Magnetsensors, der durch die achte Einrichtung (H) berechnet wurde. Eine zehnte Einrichtung (J) ist mit der neunten Einrichtung (I) verbunden, um einen aktuellen geschätzten Kurs des sich bewegenden Körpers durch eine Verarbeitung der Kursdaten zu berechnen, die von dem Ausgang des Magnetsensors berechnet wurden, und der Kursdaten, die von dem Ausgang des Lenkwinkelgeschwindigkeitssensors berechnet wurden, mit einem Abwägeverfahren, welches auf der Kalmanfilter-Verstärkung basiert.
Die erste Einrichtung (A) berechnet einen Versatzwert, der in einem Ausgang des Lenkwinkelgeschwindigkeitssensors enthalten ist, wenn der sich bewegende Körper einen gestoppten Zustand einnimmt, und sie berechnet den Fehler des Versatzwertes. Der Grund, warum die Daten von dem Lenkwinkelgeschwindigkeitssensor gesammelt werden, wenn der sich bewegende Körper einen gestoppten Zustand einnimmt, ist derjenige, daß dann nur der Versatzwert in dem Ausgang des Lenkwinkelgeschwindigkeitssensors enthalten ist. Die mit der ersten Einrichtung (A) verbundene zweite Einrichtung (B) berechnet dann eine Zeitänderungsrate des Versatzwertes und einen Fehler der Zeitänderungsrate. Durch Berechnung der Zeitänderungsrate könnte der Versatzwert und der Fehler des Versatzwertes im Bewegungszustand des sich bewegenden Körpers geschätzt werden. Auf der Basis des Fehlers des Versatzwertes multipliziert mit einer vergangenen Zeit nach dem Bewegungsstart des beweglichen Körpers und des Fehlers der Zeitänderungsrate des Versatzwertes multipliziert mit der vergangenen Zeit nach dem Bewegungsstart des beweglichen Körpers berechnet dann die mit der ersten Einrichtung (A) und mit der zweiten Einrichtung (B) verbundene dritte Einrichtung (C) einen aktuellen Fehler, der in dem Ausgang des Lenkwinkelgeschwindigkeitssensors enthalten ist. Dadurch kann der Versatzwert und der Versatzwertfehler zu jeder Zeit geschätzt werden.
Die mit dem Magnetsensor verbundene vierte Einrichtung (D) berechnet dann einen magnetisierten Betrag des sich bewegenden Körpers und einen Fehler des magnetisierten Betrages aus den Kursdaten, die von dem Magnetsensor unter einer vorbestimmten Bedingung geliefert werden, während der sich bewegende Körper seinen Bewegungszustand einnimmt, und die mit der vierten Einrichtung (D) verbundene fünfte Einrichtung (E) berechnet eine Änderung des magnetisierten Betrages des sich bewegenden Körpers und einen Fehler der Änderung aus den Kursdaten, die von dem Magnetsensor geliefert werden, während der sich bewegende Körper seinen Bewegungszustand einnimmt. Die "vorbestimmte Bedingung, während der sich bewegende Körper seinen Bewegungszustand einnimmt", ist eine Bedingung, die bspw. während einer Kurvenfahrt u.dgl. eine Berechnung des magnetisierten Betrages des sich bewegenden Körpers und des Fehlers der magnetisierten Betrages erlaubt. Der Grund, warum die Änderung des magnetisierten Betrages des sich bewegenden Körpers durch die Einrichtung (E) berechnet wird, ist derjenige, daß sich der magnetisierte Betrag manchmal ändert, wenn der sich bewegende Körper über Schienenkreuzungen usw. hinweg bewegt.
Auf der Basis des magnetisierten Betrages des sich bewegenden Körpers und des Fehlers des magnetisierten Betrages, welche durch die vierte Einrichtung (D) berechnet wurden, und auf der Änderung des magnetisierten Betrages des sich bewegenden Körpers und des Fehlers der Änderung, die durch die fünfte Einrichtung (E) berechnet wurden, berechnet dann die mit der fünften Einrichtung (E) verbundene sechste Einrichtung (F) einen aktuellen magnetisierten Betrag des sich bewegenden Körpers und einen Fehler des aktuellen magnetisierten Betrages.
Die mit den Lenkwinkelgeschwindigkeit- und Magnetsensoren verbundene siebte Einrichtung (G) berechnet dann eine Änderung des Unterschiedes zwischen den Kursdaten von dem Lenkwinkelgeschwindigkeitssensor und den Kursdaten, die von dem Ausgang des Magnetsensors berechnet wurden. Manchmal erscheint ein Unterschied zwischen den Kursdaten von dem Lenkwinkelgeschwindigkeitssensor und den Kursdaten, die von dem Ausgang des Magnetsensors berechnet wurden. Dieser Unterschied ist jedoch für eine kurze Zeitdauer durch den Fehler in den Kursdaten des Magnetsensors und weniger durch den Fehler in den Kursdaten verursacht, die von dem Ausgang des Lenkwinkelgeschwindigkeitssensors berechnet werden, sodaß er daher als Fehler der Kursdaten des Magnetsensors angesehen wird.
In der mit der sechsten Einrichtung (F) und mit der siebten Einrichtung (G) verbundenen achten Einrichtung (H) wird ein in dem Kursausgang von dem Magnetsensor enthaltener Fehler in Übereinstimmung mit der Änderung bei dem Unterschied zwischen den Kursdaten von dem Magnetsensor und den Kursdaten berechnet, die von dem Ausgang des Lenkwinkelgeschwindigkeitssensors zu berechnen sind, der durch die siebte Einrichtung (G) berechnet wurde, und in Übereinstimmung mit dem Fehler des aktuellen magnetisierten Betrages des sich bewegenden Körpers, der durch die sechste Einrichtung (F) berechnet wird.
Die mit der dritten Einrichtung (C) und mit der achten Einrichtung (H) verbundene neunte Einrichtung (I) berechnet dann eine Kalmanfilter-Verstärkung durch Berechnung einer Zuverlässigkeit jeder der Ausgangsdaten der Lenkwinkelgeschwindigkeit- und Magnetsensoren von dem Fehler in dem Ausgang des Lenkwinkelgeschwindigkeitssensors, der durch die dritte Einrichtung (C) berechnet wurde, und von dem Fehler in den Kursausgangsdaten des Magnetsensors, der durch die achte Einrichtung (H) berechnet wurde.
In der zehnten Einrichtung (J) wird schließlich ein aktuell geschätzter Kurs des sich bewegenden Körpers durch eine Verarbeitung der Kursdaten berechnet, die von dem Ausgang des Magnetsensors berechnet wurden, und der Kursdaten, die von dem Ausgang des Lenkwinkelgeschwindigkeitssensors berechnet wurden, mit einem Abwägeverfahren, welches auf der Kalmanfilter-Verstärkung basiert. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann also der aktuelle Kurs des sich bewegenden Körpers durch ein individuelles Analysieren und Bewerten der Fehlerfaktoren präzise geschätzt werden, die in den Kursdaten des Magnetsensors und in den Winkelgeschwindigkeitsdaten des Lenkwinkelgeschwindigkeitssensors enthalten sind, und durch eine Bestimmung der Benutzungsrate der Ausgangsdaten der Lenkwinkelgeschwindigkeit- und Magnetsensoren.
Es wird angemerkt, daß zusätzlich zu den vorbeschriebenen Fehlern verschiedene Fehler ebenfalls adoptiert werden können, wie bspw. ein Quantisierungsfehler u.dgl., der zum Zeitpunkt A/D-Umwandlung verursacht wurde, und Fehler, die normal berücksichtigt werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Merkmale und Vorteile eines Kursbestimmungsgerätes gemäß der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen klarer verstanden.
Fig. 1 ist ein Blockdiagramm eines Kursbestimmungsgerätes, welches die Grundsätze dieser Erfindung aufweist;
Fig. 2 ist ein Blockdiagramm, welches eine Ausführungsform des Kursbestimmungsgerätes zeigt;
Fig. 3 ist ein Diagramm zur Darstellung, wie Versatzwerte des Ausgangs des Kreise 15 der Fig. 1 geändert werden;
Fig. 4 ist ein Flußdiagramm zur Darstellung des Verfahrens der Kursbestimmung des Gerätes der Fig. 2 zur Berechnung des Kurses eines Fahrzeuges in Übereinstimmung mit den Grundsätzen dieser Erfindung; und
Fig. 5 ist eine Darstellung der Fahrspur des Fahrzeuges, die durch Verwendung des Kursbestimmungsgerätes dieser Erfindung erhalten wurde.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

Fig. 2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines Kursbestimmungsgerätes der vorliegenden Erfindung, welches in einem Fahrzeugnavigationssystem verwendet werden kann. Das Kursbestimmungsgerät umfaßt einen Radsensor 41, der die Anzahl der Umdrehungen der linken und rechten Räder (nicht gezeigt) eines Fahrzeuges erfaßt (dieser Sensor wird als ein Entfernungssensor benutzt, welcher die durch das Fahrzeug gefahrenen Entfernungen erfaßt) , einen Magnetsensor 42 zum Erfassen des Fahrzeugkurses, einen ersten A/D (Analog/Digital)-Wandler 42a, der mit dem Magnetsensor 42 verbunden ist, einen Kreisel 43 (der ausgewählt ist unter einem Kreisel mit optischer Faser, der eine Lenkwinkelgeschwindigkeit als eine Phasenänderung des Interferenzlichts erfaßt, einem Vibrationskreisel, der eine Lenkwinkelgeschwindigkeit mit der Unterstützung einer Ausleger-Vibrationstechnik eines piezoelektrischen Elements erfaßt, einem mechanischen Kreisel, usw. Dieser Kreisel 43 wird als ein Lenkwinkelgeschwindigkeitssensor benutzt, der den Kurs des Fahrzeuges erfaßt.), und einen zweiten A/D-Wandler 43a, der mit dem Kreisel 43 verbunden ist. Das Kursbestimmungsgerät umfaßt weiterhin einen Straßenkartenspeicher 2 zum Speichern von Straßenkartendaten, einen Positionsgeber 1, der einen geschätzten Kurs des Fahrzeuges in Übereinstimmung mit den von dem Kreisel 43 und dem Magnetsensor 42 erfaßten Ausgangsdaten berechnet und der auch die Ortsausgangsdaten des Fahrzeuges mit dem berechneten geschätzten Kurs und den Daten des Radsensors 41 berechnet, einen Pufferspeicher 3, an welchen das Ergebnis der Berechnung von dem Positionsgeber 1 eingegeben wird, einen mit dem Positionsgeber 1 verbundenen Datenspeicher 6 für ein Speichern von magnetisierten Betragsdaten, die in den Daten des Magnetsensors 2 enthalten sind, und eine Streuung der magnetisierten Betragsdaten sowie für ein Speichern der Kreisel-Versatzdaten, die in jedem der Kreiseldaten enthalten sind, sowie eine Streuung der Kreisel-Versatzdaten, ein Navigation-Steuergerät 5, einen mit dem Navigation-Steuergerät 5 verbundenen Bildschirm 7 zur Wiedergabe der ausgelesenen aktuellen Fahrzeug position auf der Karte und eine mit dem Navigation-Steuergerät 5 verbundene Tastatur 8.
Bei dem vorbeschriebenen Positionsgeber 1 wird die Anzahl der Radumdrehungen durch ein Zählen mit einem Zähler (nicht gezeigt) der Anzahl von Impulsen erhalten, welche der Radsensor 41 liefert, und die Ausgangsdaten je Zeiteinheit der Fahrentfernung werden durch ein Multiplizieren der gezählten Ausgangsdaten des Zählers mit einer vorbestimmten Konstantzahl berechnet, die eine Entfernung pro einer Zählung angibt. Eine relative Änderung des Fahrzeugkurses wird auch von dem Kreisel 43 erhalten. Auf der Basis der relativen Änderung und der absoluten Kursausgangsdaten des Magnetsensors 43 berechnet dann der Positionsgeber 1 die Kursausgangsdaten des Fahrzeuges, wie es nachfolgend noch beschrieben wird.
Der vorstehend beschriebene Straßenkartenspeicher 2 speichert die Straßenkartendaten eines bestimmten Bereichs im vorhinein und umfaßt einen Halbleiterspeicher, ein Cassettenband, CD-ROM, einen IC-Speicher, DAT oder dergleichen.
Der vorstehend beschriebene Bildschirm 7 umfaßt ein CRT- Display, ein Flüssigkristall-Display od.dgl. und bildet eine Straßenkarte ab, nach welcher sich das Fahrzeug bewegt, und auch eine aktuelle Position des Fahrzeuges.
Das vorstehend beschriebene Navigation-Steuergerät 5 ist mit einem Zahlenprozessor, einem Bildprozessorspeicher u.dgl. ausgebildet und erzeugt Instruktionen zur Ausführung einer erneuten Darstellung der Karte auf dem Bildschirm 7, einer Schaltung des Maßstabes, einer Verschiebung des Bildschirminhalts, einer Anzeige der aktuellen Position des Fahrzeuges u.dgl.
Der vorstehend beschriebene Speicher 6 speichert einen Kreisel-Versatzwert Bo, eine Streuung Bvo des Kreisel- Versatzes, eine geschätzte Änderungsrate m des Kreisel- Versatzes, eine Streuung mv einer Änderungsrate des Kreisel- Versatzes, einen magnetisierten Betrag Mn, einen Streuungswert Xn² des magnetisierten Betrages Mn, einen magnetisierte Betragsänderung δMn und eine Streuungswert Yn² der magnetisierten Betragsänderung δMn. Diese Werte werden wie folgt berechnet.
Die Ausgangsdaten δθG des Kreisels 43 und die Ausgangsdaten θH des Magnetsensors 42 werden jeweils nach einer Konstantzeit gesammelt, und die Sammlungsanzahl wird durch einen unteren Index n angegeben.
Die Ausgangsdaten δθG n des Kreisels 43 betragen gewöhnlich den Wert null im gestoppten Zustand des Fahrzeuges, jedoch erscheint ein Ausgang, wenn bei dem Kreisel ein Versatz (Vorspannung) erschienen ist. Der Kreisel-Versatzwert Bo wird wie folgt berechnet:
worin N die Anzahl der Daten ist, wenn das Fahrzeug gestoppt ist. Der Kreisel-Versatzwert Bo stellt daher einen Mittelwert der Kreisel-Versatzdaten dar.
Der Streuungswert Bvo des Kreiselversatzes ergibt den Fluktuationsgrad, welchen der Kreisel-Versatzwert Bo hat, und kann wie folgt geschrieben werden:
Bo = Konstante + Streuung von δθG n/ N
Die Konstante des ersten Terms der vorstehenden Gleichung entspricht einem Fehler der Quantisierung, und der zweite Term ist ein sich auf die Anzahl der Daten beziehender Term, also die für die Sammlung der Daten benötigte Zeit. Wenn die gestoppte Zeit des Fahrzeuges länger ist, wird der Streuungswert Bvo des Kreiselversatzes kleiner.
Die geschätzte Änderungsrate m des Kreiselversatzes ist ein Betrag, der einen Gradienten zwischen einem Kreisel-Versatzwert Bo(to) in der Zeit (to) unmittelbar nach dem Stoppen des Fahrzeuges und einem Kreiselversatzwert Bo(t1) in der Zeit (t1) unmittelbar vor der nächsten Fahrt des Fahrzeuges anzeigt, und dieser Betrag wird wie folgt berechnet:
Fig. 3 zeigt Fluktuationen der Kreisel-Versatzwerte, wobei der Versatzwert auf der Ordinate und die Zeit auf der Abszisse abgetragen sind, wobei die tatsächlichen Fluktuationen der Kreisel-Versatzwerte mit der gestrichelten Linie gezeigt sind. Der Gradient der geschätzten Kreisel-Versatz-Werte zwischen der Zeit (to) und der Zeit (t1) ist mit dem Bezugsbuchstaben m bezeichnet. Der Gradient der tatsächlichen Kreisel-Versatzwerte ist mit mc bezeichnet.
Die Streuung mv der Kreiselversatz-Änderungsrate ist ein Betrag entsprechend einer Differenz zwischen der geschätzten Änderungsrate m des Kreiselversatzes und der tatsächlichen Änderungsrate mc des Kreiselversatzes und wird durch die folgende Gleichung wiedergegeben:
Der magnetisierte Betrag Mn kann durch die Berechnung einer Änderung des Fahrzeugkurses erhalten werden, der bei einer Lenkung des Fahrzeuges verursacht wird, von dem Ausgang des Kreisels 43 und durch eine Berechnung der Mitte eines geomagnetischen Kurskreises von dieser Berechneten Kursänderung und von den Ausgängen des Kreisels 43 vor und nach der Lenkung des Fahrzeuges (siehe JP-A-63-128 222).
Der Streuungswert Xn² des magnetisierten Betrages Mn ist ein Streuungswert, der in dem magnetisierten Betrag Mn enthalten ist, welcher bei jeder Lenkung des Fahrzeuges berechnet werden muß.
Die magnetisierte Betragsänderung δMn ist eine Änderung des magnetisierten Betrages, wenn das Fahrzeug einer großen Änderung des Magnetfeldes während der Fahrt (der Bewegungsrichtung und der Größe der Mitte des geomagnetischen Kurskreises) unterworfen wird, und Yn² ist ein Streuungswert der magnetisierten Betragsänderung δMn.
Wenn bspw. der letzte magnetisierte Betrag B ist und ein neuer magnetisierter Betrag A ist, dann wird die magnetisierte Betragsänderung δMn durch die folgende Gleichung berechnet:
δMn = k1 + K2A + k3B + k4AB + k5A²B² - B
wobei k1 - k5 Koeffizienten sind. Die Koeffizienten k1 bis k5 werden berechnet auf der Basis von Daten bei einem speziellen Fahrzeug, welches tatsächlich magnetisiert worden war. Der Streuungswert Yn² ergibt den Rest bei einer Bestimmung der Koeffizienten k1 - k5 nach dem vorstehenden Verfahren.
Das Verfahren der Kursbestimmung des Fahrzeuges durch ein wie vorstehend ausgeführtes Gerät wird nunmehr im Detail beschrieben. Während der Fahrt werden die Fahrzeugposition und die Karte auf dem Bildschirm 7 in Übereinstimmung mit den Ausgangsdaten der einzelnen Sensoren abgebildet, die in dem Positionsgeber 1 gelesen und gespeichert werden, jedoch werden während der Abbildung die einzelnen Ausgangsdaten von den Sensoren auch eingelesen und gespeichert mit einer Unterbrechung in konstanten Zeitintervallen, sodaß der Fahrzeugkurs aktualisiert wird. Die Fig. 4 zeigt den Fluß der Kursbestimmung des Fahrzeuges zum Zeitpunkt dieser Unterbrechung. Es ist anzumerken, daß diese Unterbrechung auch bei Intervallen einer konstanten Entfernung veranlaßt werden kann, die auf der Basis der Ausgangsdaten berechnet wird, welche die von dem Fahrzeug gefahrenen Entfernungen anzeigt. Die konstante Zeit oder die konstante Entfernung wird in geeigneter Weise eingestellt, abhängig von dem Typ des verwendeten Lenkwinkelgeschwindigkeitssensors, der funktionellen Arbeitsweise des verwendeten Magnetsensors u.dgl.
In der Stufe 1 werden die Ausgangsdaten δθ Gn des Kreisels 43 und die Ausgangsdaten θ Hn des Magnetsensors 42 eingelesen und gespeichert.
In der nächsten Stufe 2 werden der Kreisel-Versatzwert Bo, die Streuung Bvo des Kreiselversatzes, die geschätzte Änderungsrate m des Kreiselversatzes und die Streuung mv der Kreiselversatz-Änderungsrate von dem Datenspeicher 6 ausgelesen.
In der Stufe 3 werden dann der magnetisierte Betrag Mn, der Streuungswert Xn² des magnetisierten Betrages Mn, die magnetisierte Betragsmenge mn und der Streuungswert Yn² der magnetisierten Betragsänderung δMn von dem Datenspeicher 6 ausgelesen. Der magnetisierte Betrag Mn und der Streuungswert Xn² des magnetisierten Betrages Mn werden nur unter speziellen Bedingungen gehalten, wie bspw. einer Kurvenfahrt u.dgl., wobei die letzten Werte nicht immer während der Fahrt erhalten werden.
In der Stufe 4 werden dann ein aktueller, geschätzter, magnetisierter Betrag un und der Streuungswert uvn² durch die folgenden Gleichungen berechnet:
un = an Mn + (1 - αn) (Mn-1 + δMn)
uvn² = an Xn²
wobei αn ein Kalmanfilter-Koeffizient ist.
Auf der Basis der einzelnen ausgelesenen Daten wird dann ein aktueller geschätzter Kurs des Fahrzeuges berechnet. Um in der Stufe 5 den aktuellen geschätzten Kurs zu erhalten, werden eine Streuung qn² der Ausgangsdaten δθ G des Kreisels 43 und eine Streuung rn² der Ausgangsdaten θH des Magnetsensors 42 durch die folgende Gleichung berechnet:
qn² = qo² + mv T
wobei T die Zeit seit dem letzten Stop des Fahrzeuges ist, qo ein Fehler ist, der sich nicht auf die Stopzeit bezieht und durch die Summe eines Fehlers der Quantisierung und eines Fehlers B vo des Kreiselversatzes dargestellt ist, und mv T gleich einem Fehler der Kreiselversatz-Änderungsrate multipliziert mit der seit dem letzten Stop vergangenen Zeit T ist und zu einem Fehler wird, welcher aus der Änderung des Kreiselversatzes resultiert.
Die Streuung rn² der Ausgangsdaten θH des Magnetsensors 42 wird durch die folgende Gleichung ausgedrückt:
rn² = rD² + rQ² + rL² + (τn² - n-1²) + run²
wobei
rD = konstanter Teil eines Fehlers, der in den Ausgangsdaten θH des Magnetsensors 42 enthalten ist,
rQ = Quantisierungsfehler = 1/(2-fache Geomagnetismus-Höhe),
rL = Höhenfehler = 0.7 x / Geomagnetismus-Höhendifferenz/ (geschätzter Wert der Geomagnetismus-Höhe),
τn = Unterschied zwischen den Kursdaten, die von dem Ausgang des Kreisel 43 berechnet werden, und den Kursdaten des Magnetsensors 42 = (θn - 1 + δθn) - nH,
δn-1² = Streuung des letzten geschätzten Kurses θn-1,
τn² - n-1² = Streuung, welche in die τn - Streuung des letzten geschätzten Kurses θ n-1 einzubeziehen ist = Streuung, die in den geschätzten Kurs neu eingeschlossen wird, und
run² - Streuung des Magnetsensors, die von der Streuung des magnetisierten Betrages resultiert.
Es wird angenommen, daß die verschiedenen Fehler wie vorbeschrieben unabhängig voneinander entstehen und daß die Streuungen qn² und rn² durch die Summe der Streuwerte auf der Basis der einzelnen Faktoren erhalten werden.
In der Stufe 6 wird unter Verwendung qn² und rn² ein geschätzter Kurs θ , bei welchem Fehler berücksichtigt werden, durch die folgende Gleichung berechnet:
wobei θ n ein geschätzter Kurs ist, der mit einer neuen Unterbrechung zu berechnen ist, θ n-1 der zuletzt geschätzte Kurs ist, δθ nG und θHn Sensorausgangsdaten sind, die verwendet werden, wenn ein neuer geschätzter Kurs berechnet wird, und βn eine Variable von 0 < β < 1 und eine Kalman-Verstärkung ist. Bei Verwendung der letzten Kalman-Verstärkung βn-1 wird βn durch die folgende Gleichung berechnet:
Die Streuung des geschätzten Kurses wird durch die folgende Gleichung berechnet:
n² = βn τn²
Wie vorstehend beschrieben ist, werden der Mittelwert und die Streuung des Kreiselversatz-Schätzwertes, der Mittelwert und die Streuung der Änderungsrate des geschätzten Wertes, der Mittelwert und die Streuung des magnetisierten Betrages, der in den Ausgang des Magnetsensors eingeschlossen wird, und der Mittelwert und die Streuung des Änderungsbetrages des magnetisierten Betrages berechnet und gespeichert. Wenn der geschätzte Kurs eines fahrenden Fahrzeuges erhalten wird, werden dann die Streuungen, die in die Ausgangsdaten der beiden Sensoren eingeschlossen werden sollen, von den gespeicherten Daten berechnet. Auf der Basis der berechneten Streuungen werden die einzelnen Daten mit einem Verarbeitungsverfahren der Abwägung verarbeitet. Als ein Ergebnis kann der geschätzte Kurs mit hoher Genauigkeit erhalten werden. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann also der aktuelle Kurs des sich bewegenden Körpers genau geschätzt werden durch ein individuelles Analysieren und bewerten der Fehlerfaktoren, die in den Kursdaten des Magnetsensors und in den Winkelgeschwindigkeitsdaten des Lenkwinkelgeschwindigkeitssensors enthalten sind, und durch eine Bestimmung der Verwendungsrate der Ausgangsdaten der Lenkwinkelgeschwindigkeit- und Magnetsensoren. Auf der Basis dieses geschätzten Kurses und der Entfernungsdaten des Radsensors 41 kann eine aktuelle geschätzte Position des Fahrzeuges berechnet werden. Gleichzeitig ist es natürlich möglich, daß die aktuelle geschätzte Position des Fahrzeuges korrigiert werden kann durch ein bekanntes Verfahren einer Kartenangleichung, bei welchem eine geschätzte Position durch einen Vergleich mit Straßenkartendaten und eine Bewertung einer wechselseitig bezogenen Rate zwischen der geschätzten Position und den Straßenkartendaten korrigiert wird.
Die Fig. 5 zeigt die Fahrspur eines Fahrzeuges, die bei Verwendung des vorbeschriebenen Kursbestimmungsgerätes erhalten wurde. Das Fahrzeug wurde magnetisiert, als es den Punkt A (Schienenüberquerung) durchfuhr. Danach wurde ein großer Fehler bei dem Geomagnetismus-Kurs wegen der Magnetisierung des Fahrzeuges verursacht. Da herkömmliche Kursbestimmungsgeräte sehr stark unter dem Einfluß der Magnetisierung des Fahrzeuges leiden, wich die Fahrzeugspur sehr stark ab von der tatsächlichen Route, welche das Fahrzeug fuhr (ausgezogene Linie), wie es durch die strichpunktierte Linie in Fig. 5 gezeigt ist. Bei dem Kursbestimmungsgerät der vorliegenden Erfindung ergibt sich andererseits jedoch eine Fahrzeugspur, die mit der gestrichelten Linie gezeigt ist.
Während das Kursbestimmungsgerät der vorliegenden Erfindung speziell im Zusammenhang mit Fahrzeugen beschrieben worden ist, ist anzumerken, daß es auch auf bewegbare Körper wie bspw. Flugzeuge, Schiffe, usw. anwendbar ist. Während die vorliegende Beschreibung in Bezug auf ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel beschrieben wurde, werden jetzt auch verschiedene Änderungen und Anpassungen für diejenigen ersichtlich, die in der Technik bewandert sind. Alle diese Abänderungen und Anpassungen fallen in den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche und sollen dadurch geschützt sein.

Claims

1. Gerät zur Kursbestimmung mit:

einem Lenkwinkelgeschwindigkeitssensor zum Erfassen eines Kurses eines sich bewegenden Körpers;

einem Magnetsensor zum Erfassen eines Kurses des sich bewegenden Körpers;

einer mit dem Lenkwinkelgeschwindigkeitssensor verbundenen ersten Einrichtung (A) zum Berechnen eines Versatzwertes, der in einem Ausgang des Lenkwinkelgeschwindigkeitssensors enthalten ist, wenn der sich bewegende Körper einen gestoppten Zustand einnimmt, und zum Berechnen eines Fehlers des Versatzwertes;

einer mit der ersten Einrichtung (A) verbundenen zweiten Einrichtung (B) zum Berechnen einer Zeitänderungsrate des Versatzwertes und eines Fehlers der Zeitänderungsrate;

einer mit der ersten Einrichtung (A) und mit der zweiten Einrichtung (B) verbundenen dritten Einrichtung (C) zum Berechnen eines aktuellen Fehlers, der in dem Ausgang des Lenkwinkelgeschwindigkeitssensors enthalten ist, in Übereinstimmung mit dem Fehler des Versatzwertes multipliziert mit der vergangenen Zeit nach dem Bewegungsstart des beweglichen Körpers und mit dem Fehler der Zeitänderungsrate des Versatzwertes multipliziert mit der vergangenen Zeit nach dem Bewegungsstart des beweglichen Körpers;

einer mit dem Magnetsensor verbundenen vierten Einrichtung (D) zum Berechnen eines magnetisierten Betrages des sich bewegenden Körpers und eines Fehlers des magnetisierten Betrages aus den Kursdaten, die von dem Magnetsensor unter einer vorbestimmten Bedingung geliefert werden, während der sich bewegende Körper seinen Bewegungszustand einnimmt;

einer mit der vierten Einrichtung (D) verbundenen fünften Einrichtung (E) zum Berechnen einer Änderung des magnetisierten Betrages des sich bewegenden Körpers und eines Fehlers dieser Änderung aus den Kursdaten, die von dem Magnetsensor geliefert werden, während der sich bewegende Körper seinen Bewegungszustand einnimmt;

einer mit der fünften Einrichtung (E) verbundenen sechsten Einrichtung (F) zum Berechnen eines aktuellen magnetisierten Betrages des sich bewegenden Körpers und eines Fehlers des aktuellen magnetisierten Betrages in Übereinstimmung mit dem magnetisierten Betrag des sich bewegenden Körpers und des Fehlers des magnetisierten Betrages, die durch die vierte Einrichtung (D) berechnet wurden, und mit der Änderung des magnetisierten Betrages des sich bewegenden Körpers und des Fehlers der Änderung, die durch die fünfte Einrichtung (E) berechnet wurden;

einer mit dem Lenkwinkelgeschwindigkeitssensor und mit dem Magnetsensor verbundenen siebten Einrichtung (G) zum Berechnen einer Änderung eines Unterschiedes zwischen den Kursdaten von dem Lenkwinkelgeschwindigkeitssensor und der Kursdaten, die von dem Ausgang des Magnetsensors berechnet werden;

einer mit der sechsten Einrichtung (F) und mit der siebten Einrichtung (G) verbundenen achten Einrichtung (H) zum Berechnen eines Fehlers, der in dem Kursausgang des Magnetsensors enthalten ist, in Übereinstimmung mit der Änderung des Unterschiedes zwischen den Kursdaten von dem Magnetsensor und den Kursdaten, die von dem Ausgang des Lenkwinkelgeschwindigkeitssensors zu berechnen sind, der durch die siebte Einrichtung (G) berechnet wurde, und in Übereinstimmung mit dem Fehler des aktuellen magnetisierten Betrages des sich bewegenden Körpers, der von der sechsten Einrichtung (F) berechnet wird;

einer mit der dritten Einrichtung (C) und mit der achten Einrichtung (H) verbundenen neunten Einrichtung (I) zum Berechnen einer Kalmanfilter-Verstärkung durch Berechnung einer Zuverlässigkeit der Ausgangsdaten sowohl des Lenkwinkelgeschwindigkeitssensors wie auch des Magnetsensors von dem Fehler in dem Ausgang des Lenkwinkelgeschwindigkeitssensors, der durch die dritte Einrichtung (C) berechnet wurde, und von dem Fehler in den Kursausgangsdaten des Magnetsensors, der durch die achte Einrichtung (H) berechnet wurde; und

einer mit der neunten Einrichtung (I) verbundenen zehnten Einrichtung (J) zum Berechnen eines aktuellen geschätzten Kurses des sich bewegenden Körpers durch eine Verarbeitung der Kursdaten, die von dem Ausgang des Magnetsensors berechnet wurden, und der Kursdaten, die von dem Ausgang des Lenkwinkelgeschwindigkeitssensors berechnet wurden, mit einem Abwägeverfahren, welches auf der Kalmanfilter- Verstärkung basiert.

2. Gerät zur Kursbestimmung nach Anspruch 1, bei welchem der vorbestimmte Zustand des sich bewegenden Körpers in seinem Bewegungszustand ein Zustand ist, bspw. während einer Kurvenfahrt u.dgl., bei welchem der magnetisierte Betrag des sich bewegenden Körpers und der Fehler des magnetisierten Betrages berechnet werden können.

3. Gerät zur Kursbestimmung nach Anspruch 1, bei welchem der sich bewegende Körper ein Fahrzeug ist.