JP2003517151A - ほぼ水平な回転軸の周りに回転する対象体の絶対回転角度を決定する方法および装置 - Google Patents

ほぼ水平な回転軸の周りに回転する対象体の絶対回転角度を決定する方法および装置

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Abstract

(57)【要約】 本発明では長手軸の周りに回転する自動車の絶対回転角度が求められ、ここではヨーレートセンサの出力信号を積分することによって回転角度変化Δαを求め、加速度センサを用いて自動車の垂直軸方向の加速度成分Ａｚを検出し、角度変化と同時に発生する加速度成分の変化Δａｚを求め、計算機を用いて回転角度変化Δαと、これと同時に発生する加速度成分の変化Δａｚとから、この自動車の絶対回転角度αを計算する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 本発明は、ほぼ水平な回転軸の周りに回転する対象体、例えば長手軸の周りに
回転する自動車の絶対回転角度を決定する方法および装置に関する。
【０００２】 自動車用の今日の乗員保護システムでは、長手軸の周りに回転した際にこの自
動車の絶対回転角度を識別して、拘束手段または別の保護手段の適時の点火判定
ができるという課題が課せられている。
【０００３】 本発明の請求項１の上位概念であるＥＰ０４３０８１３Ｂ１からは、自動車用
の安全システムが公知であり、これは４つのセンサによって動作する。ヨーレー
トセンサによって自動車の長手軸周りの回転の角速度が検出される。３つの加速
度センサによって、自動車の長手方向加速度、横方向加速度および垂直方向加速
度が検出される。ヨーレートセンサの出力信号は積分されて、閾値以上であれば
ＯＲ素子に供給され、これによって花火技術の点火装置がトリガされる。ヨーレ
ートセンサの出力信号の積分はつねに行われるのではなく、加速度センサの出力
信号によって決定される時間窓中にだけ行われる。
【０００４】 本発明の課題は、ほぼ水平な回転軸の周りに回転する対象体、例えば長手軸の
周りに回転する自動車の絶対回転角度を決定する方法および装置を提供して、簡
単に実行できることないしは簡単な構造で絶対回転角度を迅速かつ精確に決定で
きるようにすることである。
【０００５】 本発明の課題の、方法についての部分は、請求項１の特徴部分に記載された特
徴的構成によって解決される。
【０００６】 本発明では、重力によって生じた加速度の変化を自動車の垂直軸の方向に、ま
た自動車がその長手軸の周りに回転する角度を時間区間内で決定する。これらの
２つの情報からこの自動車の絶対回転角度、すなわちその絶対的な回転位置を計
算することができる。信号の差分だけを観察することによって、絶対的なセンサ
値は重要でなく、そのために高価かつ高度に安定な加速度センサを使用する必要
がなく、構造の簡単なセンサを使用可能である。
【０００７】 請求項２には本発明の方法の有利な実施形態が記載されている。
【０００８】 請求項３には本発明の課題の、装置に関する部分を解決する装置の基本的な構
造が示されている。
【０００９】 請求項４および５に記載された特徴によって、センサのゼロ点シフトに簡単に
追従することができる。
【００１０】 請求項６には計算ユニットの機能の有利な例が示されている。
【００１１】 請求項７にはこの計算ユニットで実行される計算の有利な流れが示されている
。
【００１２】 本発明は、重力場において重力方向に対して傾いた回転軸の周りに回転する対
象体の絶対角度位置を決定することが問題になる分野あれば、どこにでも有利に
適用可能である。本発明が利用しているのは、重力成分ないしは加速度成分が、
重力方向に対する回転時に対象体固定の回転する軸の方向において、正弦ないし
は余弦関数で変化し、これによって対象体の回転角度および重力成分の変化から
、その絶対回転角度ないしは回転位置を位置固定の座標系において推定できるこ
とである。本発明は、例えば自動車に適用するのが有利であり、これによって自
動車において回転の連続から保護する安全装置が有利に起動される。
【００１３】 本発明を以下、概略図に基づき例示的に、またさらに詳細に説明する。
【００１４】 ここで、 図１は、センサが配置された自動車を示しており、 図２は、ヨーレートセンサの物理的な基本原理を示しており、 図３は、対象体の垂直軸の方向に作用する、この対象体の絶対回転角度に依存
する加速度成分を検出する加速度センサの物理的な基本原理を示しており、 図４は、本発明の装置のブロック回路図を示しており、 図５は、絶対回転角度の計算を説明するための曲線を示しており、 図６は、本発明にしたがって実行された計算の精度を説明するための曲線を示
している。
【００１５】 図１では自動車にヨーレートセンサ２と加速度センサ４とが取り付けられてお
り、これらは制御装置６に接続されている。この制御装置は乗員保護装置８に接
続されている。ここでこれは例えば、シートベルトテンショナー、ヘッドエアバ
ッグであり、または例えばカブリオレの場合にはシートフレームまたはボディ部
分から外に出るロールオーバーバーなどである。以下ではこのシステムの作用を
回転ないしはオーバーロールの際に説明する。ここでは自動車はその長手軸ｘの
周りに回転する。自動車の垂直軸の位置ｚ（水平な地面にある自動車の通常の位
置）では、この自動車の垂直軸ｚと、固定の垂直方向とが一致する。角度αだけ
長手軸の周りに回転した後、自動車の垂直軸ｚ′と、固定の垂直方向とは角度α
をなす。この角度を以下では絶対回転角度と称する。
【００１６】 図２にはヨーレートセンサの物理的な基本原理が示されている。ケーシング１
０内には慣性体１２、例えば球が設けられている。自動車に結合されたケーシン
グ１０が突然、ヨーレートないしは回転角速度ωで回転すると、慣性体１２は静
止したままであるため、慣性体１２とケーシング１０との間の相対的な回転を検
出することができ、これがヨーレートに比例する出力信号ωとして、例えばパル
スの形態で単位時間毎に出力される。ここで各パルスには所定の角度値の回転が
対応する。
【００１７】 図３には加速度センサ４の基本原理が示されている。ケーシング１４内には質
量体１６が配置されており、これは図３ではばね１８によって上に向かって押さ
れている。ケーシング１４の図示の垂直は配置では、ばね力に質量体１６の全重
力加速度ないしは重量が抗する。ケーシング１４が角度αだけ垂直方向から回転
すると、ばね１８の力には成分ｍ・ｇ・cosαだけしか抗しない。ここでｍは質
量体１６の質量、ｇは重力加速度、またはαは絶対回転角である。したがって質
量体１６の運動方向に作用する力を検出することによって、絶対回転角度αに比
例する出力信号を形成することができる。室力体１６の可動性が相応に抑制する
ことによって、加速度センサ４を構成して、実質的に絶対回転位置αだけが検出
され、かつ例えば障害物などを轢いた際に発生する自動車の加速度それ自体が十
分に抑圧されるようにすることが可能である。出力信号を相応にフィルタリング
することによっても、このような加速度のピークを抑圧できることは自明のこと
である。
【００１８】 図４には本発明の装置のブロック回路図が示されている。
【００１９】 ヨーレートセンサ２は、ハイパスフィルタ２０を介して積分器２２に接続され
ている。加速度センサ４はハイパスフィルタ２４を介して差分素子２６に接続さ
れている。
【００２０】 積分器２２および差分素子２６は計算ユニット２８に接続されており、その出
力信号はユニット３０に供給され、このユニットは、それにあらかじめ記憶され
たアルゴリズムに相応して評価を行って、場合によっては別の入力信号を使用し
て、その出力側３２に、相応する乗員保護装置を起動するための出力信号を形成
するか否かを決定する。ユニット３０には複数のアルゴリズムを記憶することが
でき、またユニット３０によって、個々の安全装置を個別に起動可能な複数の出
力信号を形成できることは自明である。安全装置は、点火するか、磁気的に起動
するか、またはその他のやり方で活動化することが可能である。
【００２１】 ユニット２２，２６，２８および３０は有利には制御装置６に収容されており
、これは場合によってはフィルタ２０および２４を収容することも可能である。
これは択一的にはセンサ２および４に直接組み込むこともできる。
【００２２】 マイクロプロセッサ制御の制御装置６の構造はそれ自体公知であり、したがっ
てここでは説明しない。
【００２３】 以下では図４の装置の機能を、センサによって検出される量と、図示しないマ
イクロプロセッサによる時間的な制御の下で行われるこの量のさらなる処理とに
基づいて説明する： Ａ． ヨーレートセンサ２によって、時間に依存する長手軸周りの自動車の回
転における、時間に依存する角速度ω(t）が決定される。ハイパスフィルタ２０
においてヨーレートセンサ２の出力信号を濾波した後、ヨーレートセンサ２のゼ
ロ点ドリフトの影響がほとんどない出力信号ω(ｔ)が利用可能である。
【００２４】 同様に加速度センサ４によって、絶対回転角度αに相応するが、かなり不精確
な信号が形成され、これはハイパスフィルタリングの後、自動車の垂直軸の方向
に作用する、時間に依存する加速度ａｚ(ｔ)として利用可能である。
【００２５】 Ｂ． 積分器２２では、時間区間Ｔ内で回転角の変化がつぎのように決定され
る：
【００２６】
【数２】
【００２７】 択一的にはこの積分器によって、ヨーレートセンサから時間区間中に直接送信
されたパルスを計数することができ、これによってこの時間区間中の回転角に相
応する値が得られる。これは各パルスにあらかじめ決定した回転角が相応しかつ
回転方向に応じてカウントアップまたはカウントダウンする場合である。
【００２８】 差分素子２６では加速度成分ａｚの変化が時間区間Ｔ内でつぎのように計算さ
れる： Δａｚ(Ｔ) ＝ ａｚ(Ｔ)−ａｚ(０) この差分値形成によって加速度センサ４のドリフトおよびゼロ点変動が十分に
調整される。
【００２９】 Ｃ． Δαが定数Ｃ１よりも小さいか、またはΔａｚが定数Ｃ２よりも大きい
場合、このことが意味するのは、これらの信号が絶対回転角度の後続の計算に適
切でないことである。それは角度回転が小さすぎたか、または加速度成分の変化
が大きすぎたからであり、これによって外部からの障害を推定できるため、この
システムは上記のステップＡに戻る。上記の２つの条件が満たされない場合、こ
のシステムはつぎのステップＤに移行する。
【００３０】 Ｄ． ここでは絶対値がつぎの式を使用して計算される： α ＝ ｍ・(Δａｚ−Δａｚ ０)，ここで ｍ ＝ Ｃ３／Δα，Δαｚ ０ ＝ １−cos(Δα)。
【００３１】 上記のステップは、データの更新に伴ってその都度くり返され、その際にセン
サのオフセットが補償される。角度αが例えば１０°だけ変化しかつ加速度がｚ
方向に０．１ｇだけ変化すると、２９．５°を有するαの絶対値が決定される。
正しい計算では３０°が得られるはずである。上記の方法にしたがって計算され
た、絶対回転角αの値は、ユニット３０に供給され、そこで垂直方向に対する自
動車の回転位置を示す絶対回転角度αの十分に正しい値として別の評価のために
利用可能である。
【００３２】 以下では上記のステップで挙げた式を導く： 図３に基づいて説明したように、ａｚ＝ｇ・cosαである。このことからつぎ
が得られる。すなわち Δａｚ ＝ ｇ・(cosα−cosα０)かつα−α０ ＝ Δα ＝ ∫ωdt 前に述べた式と組み合わせることによってつぎが得られる： cosα ＝ Δａｚ／ｇ＋cos(α−Δα) （１） 式１をαについて解くとつぎが得られる：
【００３３】
【数３】
【００３４】 絶対回転角を−９０°〜＋９０°の区間に制限する場合、図５の図が得られる
。
【００３５】 図５のグラフでは曲線により絶対回転角度αが、Δａｚ／ｇに依存して、パラ
メタとしてのΔαの種々異なる値に対して示されている。
【００３６】 これからわかるようにΔａｚに対して、ゼロ点Δａｚ ０の近くまたはΔαの大
きな値では線形近似を行うことが可能である。Δａｚ ０は式１によって計算する
ことができ、つぎの値を有する： Δａｚ ０ ＝ １−cosΔα （２
） （ここで注意しておきたいのは、システムの計算能力の低さに起因して余弦関
数の計算ができない場合、この式を放物線によって良好に近似できることである
。） ゼロ点の近くの傾きも同様に計算することができる：
【００３７】
【数４】
【００３８】 良好な近似はつぎを有する双曲線である：
【００３９】
【数５】
【００４０】 まとめると上記から得られるのは、絶対回転角度αを高い精度かつ限られた計
算能力で２つのセンサ２および４（図４）の出力信号から計算できることである
。
【００４１】 誤差についての考察； 入力量ΔαおよびΔzの測定は、所定の誤差変動幅内でだけ行うことができる
。例えばヨーレートセンサは、±５％の許容差の幅を有する。さらにｚ方の加速
度を検出する理想的な加速度センサでさえ、理論的には外部の加速度と重力とを
区別することはできない。しかしながら例えば加速度信号の安定性を時間につい
て監視しかつ場合によっては別の量と相関させるアルゴリズムを用いることによ
って区別は可能である。しかし誤差の原因には注意しなければならない。
【００４２】 図６の曲線は、絶対回転角度αの誤差Ｆαを、絶対回転角度αに依存して種々
異なるセンサ許容差に対して度で示している。説明のために１０°の角度変化を
仮定した。計算を５０°の開始絶対回転角度でスタートして６０°の絶対回転角
度で終了する場合、完璧なセンサでは近似は（６０°ではなく）５５°の結果が
得られるはずである。２つのセンサの不正確さが５％であれば６１°になり、１
０％の誤差は６７°の絶対回転角度になるはずである。
【００４３】 ここで説明したシステムは多様に変更できることは自明のことである。例えば
自動車固定の加速度センサを、自動車の垂直軸に平行な方向とは別に配向するこ
とも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 センサが配置された自動車を示す図である。
【図２】 ヨーレートセンサの物理的な基本原理を示す図である。
【図３】 対象体の垂直軸の方向に作用する、この対象体の絶対回転角度に依存する加速
度成分を検出する加速度センサの物理的な基本原理を示す図である。
【図４】 本発明の装置のブロック回路図である。
【図５】 絶対回転角度の計算を説明するための曲線がプロットされた線図である。
【図６】 本発明にしたがって実行された計算の精度を説明するための曲線がプロットさ
れた線図である。
【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成１３年３月２０日（２００１．３．２０）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【数１】 を決定し、ここでＴ＝時間区間であり、 Δａｚ ＝ ａｚ(Ｔ)−ａｚ(０)を計算し、 Ｃ） Δα ＜ Ｃ１またはΔａｚ ＜ Ｃ２の場合、Ａに進み、ここでＣ１お
よびＣ２は定数であり、 Ｄ） α ＝ ｍ・(Δａｚ−Δａｚ ０)を計算し、 ここでｍ ＝ Ｃ３／Δα，Δａｚ ０ ＝ １−cos(Δα)，およびＣ３は定数で
ある、 請求項６に記載の装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００３】 本発明の請求項１の上位概念であるＥＰ０４３０８１３Ｂ１からは、自動車用
の安全システムが公知であり、これは４つのセンサによって動作する。ヨーレー
トセンサによって自動車の長手軸周りの回転の角速度が検出される。３つの加速
度センサによって、自動車の長手方向加速度、横方向加速度および垂直方向加速
度が検出される。ヨーレートセンサの出力信号は積分されて、閾値以上であれば
ＯＲ素子に供給され、これによって花火技術の点火装置がトリガされる。ヨーレ
ートセンサの出力信号の積分はつねに行われるのではなく、加速度センサの出力
信号によって決定される時間窓中にだけ行われる。 ＥＰ０９３４８５５Ａ１からオーバロール保護手段を起動する方法および装置
が公知であり、ここでは第１ステップにおいて、縦方向、横方向および垂直方向
の自動車加速度と、ロールオーバおよびピッチ速度とに（相応するセンサから供
給されて）時間的な平均値形成が行われる。これらの時間的に平均化された信号
に、拡張されたカルマンフィルタが使用される。このカルマンフィルタの出力量
は、自動車の目下のロールオーバ速度ならびに目下のピッチ角度である。これら
の量をそれぞれ計算するためには、５つの入力量をすべて利用し尽くさなければ
ならない。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２６】
【数２】
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３０】 Ｄ． ここでは絶対値がつぎの式を使用して計算される： α ＝ ｍ・(Δａｚ−Δａｚ ０)，ここで ｍ ＝ Ｃ３／Δα，Δａｚ ０ ＝ １−cos(Δα)。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F069 AA83 BB21 GG59 HH30 3D018 MA00 3D054 EE02 EE09 EE36

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 時間区間中に発生する対象体の回転角度変化Δαを決定し、
    かつ該対象体の垂直軸方向に作用する加速度成分ａｚを決定する、ほぼ水平な回
    転軸の周りに回転する対象体、例えば長手軸の周りに回転する自動車の絶対回転
    角度を決定する方法において、 前記時間区間中に発生する、前記対象体の垂直軸方向に作用する加速度成分の
    変化Δａｚを決定し、 前記回転角度変化Δαと、前記の対象体の垂直軸方向に作用する加速度成分の
    変化Δａｚとから、前記対象物の絶対回転角度αを計算することを特徴とする、 ほぼ水平な回転軸の周りに回転する対象体の絶対回転角度を決定する方法。
  2. 【請求項２】 前記の絶対回転角度αを計算するために式 α ＝ ｍ・(Δａｚ−αａｚ ０)を使用し、ここで、 ｍ ＝ Ｃ３／Δα，Δαｚ ０ ＝ １−cos(Δα)，およびＣ３は定数である、 請求項１に記載の方法。
  3. 【請求項３】 ほぼ水平な回転軸の周りに回転する対象体、例えば長手軸の
    周りに回転する自動車の絶対回転角度を決定する装置であって、 前記の回転軸の周りを回転する対象体の角速度ωを検出するヨーレートセンサ
    （２）と、 該角速度を積分して回転角度変化Δαを決定する積分器（２２）と、 前記の対象体の垂直軸方向に作用する加速度成分ａｚを検出する加速度センサ
    （４）とを有する形式の、ほぼ水平な回転軸の周りに回転する対象体の絶対回転
    角度を決定する装置において、 回転角度変化Δαと同時に発生する、垂直軸方向に作用する加速度成分の変化
    Δａｚを決定する差分素子（２６）と、 前記の回転角度変化Δαと、該変化と同時に発生する加速度成分の変化Δａｚ とから前記対象体の絶対回転角度αを計算することを特徴とする、 ほぼ水平な回転軸の周りに回転する対象体の絶対回転角度を決定する装置。
  4. 【請求項４】 前記のヨーレートセンサ（２）と積分器（２２）との間にハ
    イパスフィルタ（２０）が配置されている、 請求項３に記載の装置。
  5. 【請求項５】 前記の加速度センサ（４）と差分素子（２６）との間にハイ
    パスフィルタ（２４）が配置されている、 請求項３または４に記載の装置。
  6. 【請求項６】 前記計算ユニット（２８）は式 α ＝ ｍ・(Δａｚ−αａｚ ０) によって動作し、ここでｍ ＝ Ｃ３／Δα，Δαｚ ０ ＝ １−cos(Δα)，およ
    びＣ３は定数である、 請求項３から５までのいずれか１項に記載の装置。
  7. 【請求項７】 前記計算ユニット（２８）はつぎの流れに相応して動作する
    、すなわち、 Ａ） ω(ｔ)およびａｚ(ｔ)を検出し、ここでｔ＝時間であり、 Ｂ） 【数１】 を決定し、ここでＴ＝時間区間であり、 Δａｚ ＝ ａｚ(Ｔ)−ａｚ(０)を計算し、 Ｃ） Δα ＜ Ｃ１またはΔａｚ ＜ Ｃ２の場合、Ａに進み、ここでＣ１お
    よびＣ２は定数であり、 Ｄ） α ＝ ｍ・(Δａｚ−Δａｚ ０)を計算し、 ここでｍ ＝ Ｃ３／Δα，Δαｚ ０ ＝ １−cos(Δα)，およびＣ３は定数で
    ある、 請求項６に記載の装置。
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