DE10141805A1

DE10141805A1 - Fahrzeugsteuereinrichtung von Land-, Wasser- oder Luftfahrzeugen mit Geschwindigkeits- und Wegstreckenbestimmung

Info

Publication number: DE10141805A1
Application number: DE10141805A
Authority: DE
Inventors: Martin Krais
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-09-23
Filing date: 2001-08-27
Publication date: 2002-05-02

Abstract

Die Erfindung ist eine Fahrzeugsteuereinrichtung von Land-, Wasser- oder Luftfahrzeugen, die den Fahrer unterstützt, die Fahrstecke unfallfrei und mit möglichst wenig Kraftstoffverbrauch zurückzulegen. Dazu ermittelt sie die optimale Geschwindigkeit bezüglich der Fahrstrecke oder die optimale Fahrstrecke bezüglich der vorgegebenen Geschwindigkeit, indem sie die eigenen aktuellen Fahrzeugdaten (u. a. Position, Geschwindigkeit) zu den aktuellen Fahrstreckendaten (wie Geographie der Strecke, Position anderer Verkehrsteilnehmer, Ampelphasen usw.) in Bezug setzt. Die Erfindung benützt dabei zur Bestimmung der Position des eigenen Fahrzeugs und der Position anderer Verkehrsteilnehmer die Hilfe eines Positions- oder Navigationssystems. Weicht die ermittelte Geschwindigkeit oder Fahrstrecke von der tatsächlichen Fahrzeuggeschwindigkeit oder Position ab, dann warnt die Fahrzeugsteuereinrichtung den Fahrer oder greift in die Fahrzeugsteuerung ein.

Description

Nach dem bisherigen Stand der Technik werden Positions- oder Navigationssysteme (z. B. GPS = Global Positioning System) verwendet, um dem Fahrzeuglenker seine Position mitzuteilen und ihn zu seinem gewünschten Fahrziel zu lenken.

Weiterhin sind Navigationssysteme bekannt (DE 42 05 979 A1 und DE 42 01 142 A1) die eine sichere Geschwindigkeit für Landfahrzeuge bestimmen bezüglich dem Durchfahren einer kurvigen Strecke.

Mit dem bekannten Stand der Technik ist die Fahrweise der allermeisten Fahrzeugfahrer nicht energiesparend. Die Beschleunigungen der Fahrzeuge sind meistens zu groß und ungleichmäßig, da die Fahrweise der Strecke und dem Verkehrsfluss nicht optimal angepasst ist. Das Fahrzeug wird bspw. vor Kurven, oder an Geschwindigkeitsbegrenzungen zu stark abgebremst, statt das Fahrzeug gleichmäßig und moderat zu verlangsamen. Oder das Fahrzeug wird unnötig stark beschleunigt auch wenn dies keine Zeitersparnis bringt, da es kurz darauf sowieso (z. B. an einer roten Ampel) halten muss.

Ein Grund dafür ist die Unkenntnis über den Verkehrsfluss. Der Verkehrsfluss wird durch Verkehrsstaus und Ampelrotphasen behindert. Dabei kommt es zu verlangsamter Fahrt oder Stops. Wäre dem Fahrzeuglenker der Verkehrsfluss bereits weit vorher bekannt, so könnte er seine Fahrzeuggeschwindigkeiten und -beschleunigungen mit der nötigen Voraussicht darauf anpassen. Sind bspw. dem Fahrzeuglenker die Schaltphasen der Ampeln nicht bekannt wird er, um die Kreuzung noch während einer "Grünphase" zu überqueren, sein Fahrzeug noch beschleunigen. Schaltet aber die Ampel, wieder seines Erwartens, noch vor dem erreichen der Kreuzung auf rot, dann war diese Beschleunigung unnötig und er muss dann stark abbremsen.

Nähert er sich hingegen mit hoher Geschwindigkeit einer Kreuzung mit rotem Ampelsignal müsste er in diesem Fall abbremsen, um vor der Ampel zum Stehen zu kommen, für den Fall das die Ampel auf rot bleiben sollte. Würde die Ampel jedoch kurz vor passieren der Kreuzung auf grün schalten, hätte er unnötig abgebremst.

Weitere Gründe für eine nicht energiesparende Fahrweise sind ein zu spätes Erkennen von Verkehrsschildern, Unachtsamkeit, menschlicher Mangel an Reaktionsfähigkeit, geringes Fahrkönnen, oder überhaupt ein Unwissen über eine energiesparende Fahrweise.

Der weiterer Grund dafür ist die Unkenntnis über den Verlauf der Route. Der Fahrzeuglenker muss langsamer fahren als es die Route zulassen würde. Da er nicht weiß, welcher Straßenverlauf, oder welche Verkehrshindernisse, ihn erwarten, muss die Fahrzeuggeschwindigkeit die nötigen Sicherheitsreserven haben.

Bspw. Ein Fahrzeuglenker bremst vor einer uneinsehbaren Kurve stark ab, da er aus Sicherheitsgründen davon ausgehen muss, dass die Kurve in ihrem weiteren Verlauf sehr eng wird d. h. "zu macht". Ist die Kurve in Wirklichkeit aber sehr langgezogen, hätte er diese schneller durchfahren können. In diesem Fall hat er unnötig Fahrenergie vernichtet.

Besonders in Hinblick auf die immer teureren Treibstoffpreise ist eine Fahrzeugsteuereinrichtung von Vorteil, dass die Fahrenergie möglichst gut nutzt und unnötiges Bremsen verhindert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde die Beschleunigungen und damit die Geschwindigkeiten eines Fahrzeugs so vorzugeben, dass das Fahrzeug möglichst energiesparend fährt. Mit dem Ziel der Energieersparnis und unter Berücksichtigung der Sicherheit, soll die Geschwindigkeit des Fahrzeugs optimal an den Streckenverlauf und die Umweltfaktoren angepasst werden.

Diese Umweltfaktoren sind hierbei bspw. Ampelschaltphasen, Verkehrsstauungen, Geschwindigkeitsbegrenzungen, Neigung der Straße, Gefälle der Straße und Bedingungen die die Haftreibungen beeinflussen wie: Wind, Regen, Glatteis, Straßenverschmutzung und die Fahrzeugparameter: Verbrauch-, Drehzahl- und Leistungscharakteristik des Fahrzeugs, Straßenlage, Reifen, Schwerpunkt, Traktion, Neigung zum Über- oder zum Untersteuern, Lenkbarkeit etc. Die dadurch erreichbare Energieersparnis liegt bei 20% des Gesamtverbrauchs und macht damit die Erfindung zu einer Anschaffung die sich sehr schnell amortisiert hat und die unsere Umwelt und Rohstoffressourcen schont.

Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, dass für viele kleine Streckenabschnitte der Route im voraus Geschwindigkeiten ermittelt werden. Die Teile die vorzugsweise zur Erfindung der Fahrzeugsteuereinrichtung gehören sind ein Systemrechner 30, eine Anzeige bzw. Signaleinrichtung 33, eine Fahrzeugssteuereinrichtung 34, Sensoren 28 zur Ermittlung von externen Parametern 27, eine Eingabevorrichtung für interne Parameter 26, einer Schnittstelle, d. h. Sender und Empfänger, für den Datenaustausch der Fahrzeugsteuereinrichtungen mit anderen Verkehrsteilnehmern 28 bzw. zentralen Verkehrsleitstellen 31, ein Navigationssystem 29 mit einem Speicher für Routendaten.

Zur Ermittlung der Geschwindigkeiten der Streckenabschnitte wird als erstes die sichere Geschwindigkeit bestimmt.

Dies wird im folgenden Ausführungsbeispiel beschrieben.

1. Beispiel (Fig. 1 und Fig. 2) Ein Landfahrzeug 25

Der Fahrzeuglenker gibt die gewünschte Fahrziel 23 in das Navigationssystem (z. B. GPS-System) ein und wählt dann eine vorgeschlagene Route 24 aus. Das Navigations-, oder Positionssystem überträgt in kurzen Zeitintervallen die Fahrroute und die Position des Fahrzeugs 25 an den Systemrechner. Also ist die Fahrtrichtung 21, Position 20 und die Route 24 der Fahrzeugsteuereinrichtung bekannt. Nun analysiert die Fahrzeugsteuereinrichtung die Route 24. Dazu wird die Route in kleine Streckenabschnitte 1-20 eingeteilt. Für jeden Streckenabschnitt 1-20 wird vom Systemrechner 30 eine Geschwindigkeit berechnet, mit der das Fahrzeug in der Fahrtrichtung 21 und der Route 24 folgend, mit genügender Sicherheit auf der Straße bleibt. Angefangen wird mit dem Streckenabschnitt 1 vor dem Fahrziel. Danach wird gegen die Fahrrichtung 21, Streckenabschnitt für Streckenabschnitt Richtung dem Streckenabschnitt 20 gerechnet, in dem sich das Fahrzeug befindet. Der Grund dafür sind Bremsbeschleunigungen die in der Geschwindigkeitsrechnung zu berücksichtigen sind, wenn z. B. im Streckenabschnitt 3 die errechnete Geschwindigkeit langsamer ist, als die im nächsten angrenzenden Streckenabschnitt 4. Ist dies der Fall, muss dann die Geschwindigkeit im Streckenabschnitt 4 durch bremsen verringert werden, damit das Fahrzeug im darauffolgenden Streckenabschnitt 3 die langsamere Geschwindigkeit erreicht hat.

Wird der Fahrzeugsteuereinrichtung kein Ziel vorgeschrieben, so wählt es sich als Ziel, die vom Fahrzeug eingeschlagene Route, bis zu dem nächsten Punkt der Route an dem mehrere Möglichkeiten zum weiterfahren möglich sind. Dies wäre z. B. eine Straßenkreuzung, oder wenn die Fahrbahn mehrspurig wird.

Die Fahrgeschwindigkeiten werden errechnet mit Hilfe der Streckenparametern: z. B. Kurvenradius, Haftreibungszahl des Straßenbelags, Neigung der Straße, Gefälle der Straße und Bedingungen die die Haftreibungen beeinflussen wie: Wind, Regen, Glatteis, Straßenverschmutzung und der Fahrzeugparameter: z. B. Straßenlage, Haftreibungszahl der Fahrzeugreifen, Beschleunigungen zum Verringern oder Vergrößern der Geschwindigkeit auf die Geschwindigkeit des nächsten Streckenabschnitt, Reifen, Schwerpunkt, Traktion, Neigung zum Über- oder zum Untersteuern, Lenkbarkeit, Motorverzögerung, Bremsverzögerung etc.

Die Parameter der Routen sind auf dem Datenträger des Navigationssystems gespeichert.

Individuelle Parameter wie z. B. Fahrzeugparameter werden in die Fahrzeugsteuereinrichtung eingegeben, oder die Fahrzeugsteuereinrichtung erkennt diese über Datenaustausch mit dem Fahrzeug, bzw. "Plug And Play" Funktionen, selbstständig. Weitere, sich ständig ändernde, oder neue Parameter (Anspruch 5) z. B. Geschwindigkeitsbegrenzungen, Wetterlage, Verschmutzung der Straße durch Baustellenarbeiten, Positionsdaten anderer Verkehrsteilnehmer und Streckenänderungen, werden extern zugeführt und aktualisiert. Externe Parameter können sein: Sensoren am Fahrzeug 38 (z. B. Temperaturfühler), oder dynamische Parameter (bekannt aus DE 196 50 844 A1) aus einer zentralen Verkehrsleitstelle 31 deren Informationen über Satellit an die Fahrzeugsteuereinrichtung weitergegeben werden. Oder die Parameter werden vom Fahrzeuglenker 32 selbst eingegeben. Beispiel: Es liegen der Fahrzeugsteuereinrichtung keine Parameter über die Wetterverhältnisse vor, doch der Fahrzeuglenker weiß es ist schon seit mehreren Tagen trocken und warm. Er kann also davon ausgehen, dass es kein Glatteis auf den Straßen gibt und wählt den entsprechenden Parameter aus. Möglicherweise kennt er auch den Straßenzustand beispielsweise seines täglichen Arbeitsweges und kann so die Parameter dieser Strecke genauer definieren. Da er diese Strecke sehr oft fährt lohnt sich dies.

Die noch fehlenden Parameter werden durch solche Parameter ersetzt, mit denen die Rechnung auf der sicheren Seite liegt.

Rechenbeispiel

(Fig. 3) zur vereinfachten Darstellung sind nur die Parameter: Zentripetalkraft Fz, Geschwindigkeit V des Fahrzeuges, Kurvenradius r, die Erdanziehungskraft Fg, Fahrzeugmasse m, Erdbeschleunigung g, Reibungskraft Fr, Haftreibungszahl des Straßenbelags µs, Haftreibungszahl der Fahrzeugreifen µr, Sicherheit S und die Neigung der Straße α, berücksichtig. Abb. 1 zeigt die Ansicht des Fahrzeuges von hinten auf der geneigten Straße. Abb. 2 zeigt die Draufsicht des Fahrzeugs auf der Straße.

Man erhält als Ergebnis die sichere Geschwindigkeit V_sicherheit des Fahrzeugs:

Als zweites werden vom Systemrechner die energiesparenden Geschwindigkeiten für die Streckenabschnitte ausgerechnet. V_energie genannt. Diese ergeben sich aus der vorgegebenen Beschleunigung a mit denen die Geschwindigkeitsdifferenzen ΔV zwischen den einzelnen Streckenabschnitten 1-20 mit ihrer Streckenlänge s errechnet werden können. Als Beschleunigungen versteht man dabei sowohl die Beschleunigung zur Erhöhung der Geschwindigkeit, als auch die Beschleunigung zur Verminderung der Geschwindigkeit.

ΔV = √2 × a × s

Dabei ist a eine gewählte Beschleunigung. Der Wert der Beschleunigung hängt dabei vom Grad der gewünschten Energieeinsparung ab. Außerdem wirken bei Steigungen und Gefälle zusätzlich die Beschleunigung der Hangabtriebskraft F_h (Fig. 6) auf das Fahrzeug. Diese müssen dann bei einer Strecke mit Gefälle zu der Beschleunigung a hinzu addiert werden und bei einer Strecke mit Steigung von der Beschleunigung a subtrahiert werden. Im folgenden Rechenbeispiel wird aber zur vereinfachten Darstellung eine ebene Fahrstrecke angenommen:

Mit den Geschwindigkeitsdifferenzen ΔV und den sicheren Geschwindigkeiten V_sicherheit können die energiesparenden Geschwindigkeiten für alle Streckenabschnitte 1-20 bestimmt werden. Ausgangspunkt für die weitere Berechnung ist der Streckenabschnitt an dem die geringste ermittelte V_sicherheit besteht, bevor die V_sicherheit wieder ansteigt. Solch einen Streckenabschnitt soll Geschwindigkeitswendepunkt genannt werden. Zum ermitteln eines Geschwindigkeitswendepunkts wird von dem Streckenabschnitt ausgegangen, indem sich das Fahrzeug befindet. In der Darstellung wäre dies Streckenabschnitt 20. Der Geschwindigkeitswendepunkt wäre dann der Streckenabschnitt 8, wo durch die Parameter, insbesondere durch den geringen Kurvenradius, die geringste sichere Geschwindigkeit von angenommen 50 Km/h ermittelt wurde. Bei folgenden ermittelten Werten:
SA = Streckenabschnitt
sG = sichere Geschwindigkeit [km/h]

Danach wird, von diesem Streckenabschnitt aus, für jeden weiteren Streckenabschnitt die energiesparende Geschwindigkeit V_energie ermittelt, indem zur ermittelten Geschwindigkeit des vorherigen Streckenabschnitts ΔV addiert wird. Dabei wird mit dem Geschwindigkeitswendepunkt 8 begonnen in Richtung dem Streckenabschnitt 20 indem sich das Fahrzeug 25 befindet.

Für die Ermittlung der energiesparenden Geschwindigkeit V_9energie ist somit die sichere Geschwindigkeit des vorherigen Streckenabschnitts V₈ maßgeblich und für die Ermittlung der energiesparenden Geschwindigkeit V_10energie die ermittelte Geschwindigkeit des vorherigen Streckenabschnitts V₉ maßgeblich usw.

Die energiesparenden Geschwindigkeiten V_energie werden dabei immer mit der sicheren Geschwindigkeit V_sicherheit des jeweiligen Streckenabschnitts verglichen. Als Geschwindigkeit des Streckenabschnitts wird dann die kleinere Geschwindigkeit gewählt (Anspruch 3). Dies ist dann die ermittelte Geschwindigkeit des Streckenabschnitts, genannt V_i. Mit dieser wird dann auch, zum Ermitteln der energiesparenden Geschwindigkeit des nächsten Streckenabschnitts, weitergerechnet.

Beispielrechnung

Kurz bevor das Fahrzeug den ersten Geschwindigkeitswendepunkt 8 erreicht hat werden mit der gleichen Vorgehensweise, die Geschwindigkeiten V für die folgenden Streckenabschnitte 7-2 ermittelt.

Ausgangspunkt für die weitere Berechnung ist wiederum der nächste Geschwindigkeitswendepunkt, in diesem Fall Streckenabschnitt 2. usw. Die tatsächliche Fahrzeuggeschwindigkeit wird mit der ermittelten Geschwindigkeiten V_i des Streckenabschnitts verglichen, indem das Fahrzeug fährt. Dies wird dadurch erreicht, dass die Position des Fahrzeugs auf der Fahrstrecke durch das GPS-System bekannt ist und somit einem bestimmten Streckenabschnitt zuordenbar ist. Bei einer Überschreitung der ermittelten Geschwindigkeit V_i eines bestimmten Streckenabschnitts durch die tatsächliche Fahrzeuggeschwindigkeit wird der Fahrer entweder gewarnt, oder es wird in die Fahrzeugsteuerung eingegriffen, um die tatsächliche Fahrzeuggeschwindigkeit auf die ermittelte Geschwindigkeit V_i und die vorgegebene Beschleunigung a zu begrenzen.

Eine vorteilhafte Ausführung ist, wenn der Fahrzeuglenker 32 selbständig gas geben kann. Das Gasgeben wird aber durch das Eingreifen der Fahrzeugsteuereinrichtung in die Fahrzeugsteuerung 34 begrenzt, sobald die tatsächliche Fahrzeuggeschwindigkeit die ermittelte Geschwindigkeit V_i überschreitet. Weiterhin wird das Gas geben begrenzt, wenn sich die tatsächliche Fahrzeuggeschwindigkeit unterhalb der ermittelten Geschwindigkeit befindet und das Gasgeben eine Fahrzeugbeschleunigung hervorruft, die über der vorgegebenen Beschleunigung a liegt. Für den Fahrzeuglenker bedeutet dies, dass auch wenn er immer Vollgas gibt das Fahrzeug nie die ermittelte Geschwindigkeit, oder die vorgegebenen Beschleunigung a überschreitet. Das Fahrzeug wird sich mit der ermittelten Geschwindigkeit V_i fortbewegen falls die Motorleistung und die Steigung der Fahrstrecke dem Fahrzeug die vorgegebene Beschleunigung a ermöglichen.

Folgendes Beispiel beschreibt eine Ausführung in der die Fahrzeugsteuereinrichtung eine Abweichung der tatsächlichen Fahrzeuggeschwindigkeit von der ermittelten Geschwindigkeit V_i auf einer Anzeige 33 darstellt.

Ist die ermittelte Geschwindigkeit V eines Motorrads größer, als die tatsächliche Fahrzeuggeschwindigkeit wird ein grünes Licht in das Helmvisier projiziert und sagt aus, es könnte noch schneller gefahren werden. In Fig. 2 ist das besagte Licht als Anzeige/Signal 33 dargestellt. Ist die ermittelte Geschwindigkeit V kleiner, als die tatsächliche Fahrzeuggeschwindigkeit wird ein rotes Licht in das Helmvisier projiziert (Anspruch 9) und sagt aus, die Geschwindigkeit muss reduziert werden. Dabei variieren die Farbtöne, je nach Grad der Abweichung. D. h. ist noch genügend Geschwindigkeitsspielraum vorhanden ist es ein sattes Grün.

Fährt man jedoch nahe der ermittelten Geschwindigkeit V_i leuchtet ein blasseres Grün auf.

Eine weitere Alternative die für den Fahrzeuglenker 32 rein informativer Natur ist, ist die Ausgabe der ermittelten Geschwindigkeit V_i, oder die Differenz der tatsächlichen Fahrzeuggeschwindigkeit zu V_i, auf einer Anzeige 33.

Eine weitere Lösung ist, dass falls sich die tatsächliche Fahrzeuggeschwindigkeit zwischen V_i und V_sicherheit befindet, die Abweichung zu V_i nur angezeigt wird. Vorraussetzung ist dabei dass V_i ungleich V_sicherheit ist. Überschreitet das Fahrzeug jedoch V_sicherheit so greift die Fahrzeugsteuereinrichtung selbstständig direkt in die Fahrzeugsteuerung 34 ein. Die Fahrzeugsteuerung 34 betätigt dann die Bremsen 35 und bremst dadurch das Fahrzeug auf V_sicherheit herab. Bei geringen Geschwindigkeitsdifferenzen reicht es den Motor 36 zu drosseln, indem die Drosselklappe geschlossen wird.

Sofern die Fahrzeugsteuerung nicht nur dazu dienen soll die ermittelten Geschwindigkeit nicht zu überschreiten, sondern diese möglichst genau einzuhalten, dann kann die Fahrzeugsteuerung auch bei einer Unterschreitung der ermittelten Geschwindigkeit V_i warnen, oder in die Fahrzeugsteuerung eingreifen.

Ein selbständiges Eingreifen in die Fahrzeugsteuerung wird von der Erfindung vorzugsweise bei der geringsten Abweichung der tatsächlich Fahrzeuggeschwindigkeit von V_i vorgenommen. Soll hingegen bei einer Abweichung nur gewarnt oder ein Signal ausgegeben werden, dann ist eine manuelle Eingabe einer tolerierten Abweichung der Geschwindigkeiten sinnvoller. Ansonsten würde die Warnung ständig erscheinen, da diese durch die geringsten Abweichung ausgelöst würde.

Die sicheren Geschwindigkeiten werden in den bekannten Anmeldungen durch eine Berechnung ermittelt, die auch die Straßenverhältnisse und den Sicherheitsabstand zu anderen Verkehrsteilnehmern berücksichtigt. Der Abstand zu anderen Verkehrsteilnehmern wird dabei mittels Abstandssensoren ermittelt. Unwirksam ist diese Abstandsmessung aber wenn sich ein anderer Verkehrsteilnehmer in einem für den Abstandssensor unzugänglichen Bereich befindet z. B. wenn in einer Rechtskurve rechts der rechten Fahrbahnseite eine senkrechte Bergwand den Messbereich des Sensors begrenzt.

Außerdem bei Gegenverkehr im Falle eines Überholmanövers, da sich der Gegenverkehr aus großer Entfernung, aber mit sehr schneller Geschwindigkeit annähert und somit ein rechtzeitiges Erkennen durch den Abstandssensor unmöglich ist. Somit entsteht ein Sicherheitsrisiko, denn der Fahrzeuglenker muss innerhalb Bruchteilen von Sekunden u. a. die Geschwindigkeit und den Abstand des entgegenkommenden Fahrzeugs richtig einschätzen können und die Entscheidung treffen "Soll ich überholen oder nicht?". Von dieser Entscheidung hängt sein Leben ab. Solche Entscheidungen können von der Erfindung besser, präziser und schneller entschieden werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde die Geschwindigkeit und eventuell der Kurs des Fahrzeugs so zu bestimmen, dass eine Kollision mit anderen Verkehrsteilnehmer verhindert wird und zwar unabhängig von der Position und der Fahrtrichtung der anderen Verkehrsteilnehmer. Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, indem die Verkehrsteilnehmer die sich in einem gemeinsamen Gebiet aufhalten (z. B. in einem Radius von ca. 10 Km) ihre Daten wie Position (aus GPS-System) und deren Geschwindigkeit (aus Geschwindigkeitssensor) in kurzen Intervallen, vorzugsweise über Satellit und jede halbe Sekunde, miteinander austauschen (Anspruch 7). Die Erfindung kann mit Hilfe der Positionsdaten, der Geschwindigkeit und Fahrtrichtung der anderen Verkehrsteilnehmer diese den verschiedenen Routen, die in diesem gemeinsamen Gebiet möglich sind, zuordnen. (Anmerkung: alternativ reicht auch der Austausch der Positionsdaten in kurzen Zeitintervallen, um daraus die Geschwindigkeit und Fahrtrichtung der anderen Verkehrsteilnehmer zu ermitteln).

Somit ist für die eigenen eingeschlagenen Route bekannt, welche anderen Verkehrsteilnehmer sich auf dieser aufhalten und zwar mit deren Position, Fahrtrichtung und Fahrspur, auch wenn sich diese hinter einer Kuppe, oder hinter einer uneinsehbaren Kurve befinden. Befindet sich nun tatsächlich ein anderer Verkehrsteilnehmer, auf der gleichen Fahrspur in gleicher Fahrtrichtung, hinter einer uneinsehbaren Kurve, so werden die sicheren Geschwindigkeiten V_sicherheit so bestimmt, dass das Fahrzeug unter Berücksichtigung sicherer Verzögerungen und Querbeschleunigungen des Fahrzeugs, seine Geschwindigkeit auf die Geschwindigkeit des anderen Verkehrsteilnehmers verlangsamen kann und dabei noch einen angemessenen Sicherheitsabstand einhält.

Beispiel eines Überholmanövers: Befindet sich ein anderer Verkehrsteilnehmer auf der Gegenfahrbahn mit einer zur eigenen Fahrtrichtung entgegengesetzten Fahrtrichtung wird dieser von der Erfindung als Gegenverkehr erkannt. Der oder die anderen Verkehrsteilnehmer die sich vor dem Fahrzeug auf der gleichen Spur und in gleicher Fahrtrichtung befinden werden als Fahrzeuge erkannt die überholt werden können. Der Rechner der Fahrzeugsteuereinrichtung kann mit der Simulation des Überholmanövers unter Berücksichtigung der übermittelten Daten der involvierten Verkehrsteilnehmern ermitteln, ob ein Überholmanöver ohne Kollisionsgefahr durchführbar ist. Besteht Kollisionsgefahr greift die Fahrzeugsteuereinrichtung in die Fahrzeugsteuerung 34 ein, um den Fahrzeuglenker 32 an einem Überholmanöver zu hindern.

Sofern der Gegenstand der Erfindung auch zur Begrenzungen der Fahrzeuggeschwindigkeit, im Falle von Geschwindigkeitsbegrenzungen, eingesetzt wird (Anspruch 5) muss zur Ermittlung der Geschwindigkeit des Streckenabschnitts außer der Geschwindigkeiten V_energie und V_sicherheit auch noch die Geschwindigkeit der Geschwindigkeitsbegrenzung des jeweiligen Streckenabschnitts miteinander verglichen werden. In diesem Fall ist die kleinste der drei Geschwindigkeiten dann V_i .

Eine weitere Steigerung der Wirtschaftlichkeit lässt sich dadurch erreichen dass die Ampelschaltphasen als externe Parameter berücksichtigt werden (Anspruch 5). Hierbei werden die Ampelschaltphasen vorzugsweise über den GPS-Satellit an die Fahrzeugsteuereinrichtung übertragen. Der Rechner der Fahrzeugsteuereinrichtung kann im voraus ermitteln, ob das Fahrzeug bei Beibehaltung der Geschwindigkeit noch während der Grünphase der Ampel die Kreuzung überqueren kann. Falls ein Erreichen der Kreuzung während der Grünphase der Ampel nicht mehr möglich sein wird, so kann das Fahrzeugsteuereinrichtung bereits frühzeitig die Geschwindigkeit des Fahrzeugs reduzieren und dem Fahrzeug damit Energie und Bremsbeläge sparen. Als weiterer Fall ist denkbar, dass sich das Fahrzeug auf eine Kreuzung zu bewegt deren Ampel rot anzeigt, aber in Kürze auf grün umschalten wird. Ein Fahrzeuglenker ohne die Erfindung und damit ohne das Wissen über die Ampelschaltphase müsste in diesem Fall abbremsen, um vor der Ampel zum Stehen zu kommen, sollte die Ampel auf rot bleiben. Jedoch ein Fahrzeug mit der Erfindung könnte im Voraus berechnen, dass beim Beibehalten der Geschwindigkeit, noch vor dem Erreichen der Kreuzung durch das Fahrzeug, die Ampel auf grün schalten wird.

Der Mensch als Fahrzeuglenker ist immer ein Unsicherheitsfaktor und von seiner Reaktion, Erfahrung und Fahrkönnen hängen Menschenleben ab. Besonders beim Fahren von Wasser- und Luftfahrzeugen muss er viele verschiedene Faktoren berücksichtigen, um die richtigen Entscheidungen beim Steuern des Fahrzeugs, zu treffen. Diese Faktoren sind bei Wasserfahrzeugen z. B. andere Verkehrsteilnehmer, Untiefen, Wasserströmung, Traktion, Neigung zum Über- oder zum Untersteuern, Kipppunkt, Lenkbarkeit. usw.

Bei Wasser- und Luftfahrzeugen liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, diese auf einer sicheren Fahrstrecke und mit einer dazu angemessenen Geschwindigkeit an das gewünschtes Fahrziel zu führen. Außerdem können bei Wunsch die Geschwindigkeiten derart bestimmt werden, dass sie möglichst energiesparend sind.

Die andere Option dabei ist, die Geschwindigkeiten werden für eine vorgegebenen Fahrstrecke bestimmt.

Wie die Aufgabe gemäß der Erfindung gelöst wird, ist in dem folgenden Beispiel beschrieben.

Beispiel Wasserfahrzeug (Fig. 4, 5)

Der Bootsführer eines Motorboots 41 gibt das gewünschte Fahrziel 45 in das Navigationssystem (z. B. GPS-System) ein. Die Fahrtrichtung 42 ist Richtung Fahrziel 45. Auf dem direkten Wasserweg 44 liegt die Untiefe 43, d. h. dort wäre die Wassertiefe für das Boot zu niedrig. Die Erfindung errechnet mit Hilfe der Umweltfaktoren bzw. Parameter (Anspruch 6), einen Ausweichkurs 39 mit den dazugehörigen Geschwindigkeiten des Bootes, um die Untiefe 43 herum, damit das Boot nicht aufläuft (Anspruch 12). Dabei sind diese Parameter bspw.: Geschwindigkeitsbegrenzungen, Fliehkraft, Bremsverzögerung des Wasserfahrzeuges, Motorbremsverzögerung des Wasserfahrzeuges, Wasserdichte, Wassertiefe, Wellenhöhe, Wind, Wasserströmung, Wassertemperatur, Wasserverdrängung, Wasserwiderstandsbeiwert, Parameter des Wasserfahrzeugs wie z. B.: Tiefgang, Schwerpunkt, Traktion, Neigung zum Über- oder zum Untersteuern, Kipppunkt, Lenkbarkeit. Die Erfindung ermittelt den Ausweichkurs 39 je nach dem was der Fahrzeugsteuereinrichtung vom Bootsführer vorgegeben wird. Es kann die Reisegeschwindigkeit, die Reisezeit, oder der Energieverbrauch für die Route vorgegeben sein.

Ist die Route bzw. der Ausweichkurs 39 vorgegeben so sind die Radien 38-40 der Route damit auch vorgegeben. Für diese Radien r 38-40 werden die sicheren Geschwindigkeiten V_sicherheit berechnet. Die Berechnung erfolgt dabei analog der Berechnung V_sicherheit für Landfahrzeuge (im Rechenbeispiel Seite 5), wobei natürlich die bereits oben erwähnten Umweltfaktoren bzw. Parameter (Anspruch 6) für die See und die Parameter des Wasserfahrzeugs, statt denen für Landfahrzeuge, verwendet werden. Diese sicheren Geschwindigkeiten V_sicherheit sind die Geschwindigkeiten die bei den vorgegebenen Radien r 38-40 ein sicheres Fahren des Bootes 41 gewährleisten. D. h. das das Boot 41 nicht vom Kurs abkommt und ohne das es kentert.

Ist die Reisegeschwindigkeit vorgegeben so wird für diese Geschwindigkeit ein sicherer Radius r errechnet. Damit entspricht in der Berechnung die Reisegeschwindigkeit der sicheren Geschwindigkeit V_sicherheit. Die Berechnung erfolgt dabei analog der Berechnung für Landfahrzeuge (im Rechenbeispiel Seite 5 oben). Der Radius r erhält man durch die Auflösung der Gleichung V_sicherheit nach r, wobei natürlich die bereits oben erwähnten Umweltfaktoren bzw. Parameter (Anspruch 6) für die See und die Parameter des Wasserfahrzeugs, statt denen für Landfahrzeuge, verwendet werden. Dieser sichere Radius r ist bei der vorgegebenen Reisegeschwindigkeit, der kleinste Radius bei dem ein Kentern des Bootes ausgeschlossen ist. Somit können verschiedene denkbare Routen ermittelt werden in denen der sichere Radius nicht unterschritten wird. Der sichere Radius ist der Radius bei dem das Boot 41 noch nicht vom Kurs abkommt und ohne das es kentert.

Ist die Reisezeit vorgegeben (Anspruch 2) so errechnet die Fahrzeugsteuereinrichtung daraus die Reisegeschwindigkeit mit der es möglich ist das Fahrziel 45 in der Reisezeit und für eine angenommene Routenlänge zu erreichen. Mit dieser Geschwindigkeit wird dann, wie bereits im vorigen Beispiel erklärt, der sichere Radius r und damit die dazugehörige Route ermittelt werden. Stimmen angenommene Routenlänge und die ermittelte Route nicht überein, so muss die Rechnung mit neuen Werten solange mit veränderten Werten wiederholt bzw. interpoliert werden bis Übereinstimmung besteht.

Bei Wasserfahrzeugen (Fig. 5) entstehen besonders riskante Situationen wenn zwei Wasserfahrzeuge 46 + 47 in Kollisionskurs 48 + 49 aufeinander zu fahren. Die Frontansicht der Boote ist im Gegensatz zur Seitenansicht relativ klein und besonders bei getrübter Sicht schlecht zu erkennen. Außerdem ist die Annäherungsgeschwindigkeit die Summe der beiden Geschwindigkeiten.

Bekannt sind Boote die mit Radar ausgestattet sind. Auf dem Display des Radars sind die Positionen der anderen Boote die sich im Erfassungsbereich des Radars aufhalten zu erkennen. Dabei bleibt der Bootsführer als Unsicherheitsfaktor. Er muss zuerst die anderen Boote auf dem Radar erkennen und richtig einschätzen können, ob von diesen die Gefahr einer Kollision ausgeht. Besteht eine Kollisionsgefahr und erkennt er diese richtig, dann muss er noch in der Lage sein ein sicheres Ausweichmanöver durchzuführen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine drohende Kollision zu erkennen und diese zu verhindern, indem das Boot auf einen sicheren Ausweichkurs gebracht wird.

Eine drohende Kollision zweier Boote 47 + 53 am Punkt 52 ist in der Fig. 5 dargestellt.

Die Fahrzeugsteuereinrichtung gemäß der Erfindung löst die Aufgabe, indem die Boote die sich in einem gemeinsamen Gebiet aufhalten (z. B. in einem Radius von ca. 10 Km) ihre Daten wie Position und deren Geschwindigkeit in kurzen Intervallen, vorzugsweise über Satellit und jede halbe Sekunde, miteinander austauschen (Anspruch 7). Die Erfindung kann mit Hilfe der Positionsdaten (aus GPS-System), die in kurzen Zeitabschnitten geliefert werden auch die Geschwindigkeit und Fahrtrichtung des eigenen und der anderen Boote bestimmen und damit deren Route vorausberechnen. Mit Hilfe der berechneten Routen (Fig. 5) erkennt die Fahrzeugsteuereinrichtung dann wenn ihr Boot 47 sich mit einem anderen Boot 53 auf Kollisionskurs 52 befindet. Nun legt sie, für die derzeitige Geschwindigkeit des Bootes, einen möglichen Ausweichradius 50 fest. Dieser Ausweichradius 50 entspricht einem sicheren Radius r. Wie dieser ermittelt wird ist bereits auf S. 13 erklärt. Die Fahrzeugsteuereinrichtung greift selbstständig in die Fahrzeugsteuerung 34 ein und bringt das Boot durch eine Betätigung der Lenkung 37 auf den Kurs des Ausweichradius 50 und zwar während dieser Ausweichkurs noch mit dem nötigen Sicherheitsabstand zum Boot 53 machbar ist.

Natürlich kann anstatt dem selbständigen Eingriff der Fahrzeugsteuereinrichtung in die Fahrzeugsteuerung 34, diese den Bootsführer 32 auch durch ein akustisches, oder optisches Signal 33 warnen, bei gleichzeitigem Anzeigen 33 des Kurses mit dem Ausweichradius 50.

Optional zu vorherigen Lösung kann bei einer drohenden Kollision auch die Geschwindigkeit des eigenen Bootes 47 reduziert werden, damit eine kleinerer Ausweichradius 50 realisierbar ist.

Im Gegensatz zu Wasserfahrzeugen bewegen sich Luftfahrzeuge nicht auf der zweidimensionalen Wasseroberfläche, sondern im dreidimensionalen Luftraum. Dennoch ist die Lösung durch die Erfindung prinzipiell gleich. Die eben erläuterten Lösungsbeispiele mit Wasserfahrzeugen gelten bezüglich der Erfindung auch für Luftfahrzeuge. In diesem Fall wären die Boote 47, 53, 41 in Fig. 5 und Fig. 6 bspw. Flugzeuge und die Untiefe 43 könnte z. B. eine Flugverbotszone über einem Saat sein. Außerdem kentern Luftfahrzeuge bei Fehlmanövern nicht sondern stürzen ab. Die verwendeten Parameter sind auch unterschiedlich. Diese sind bei Luftfahrzeugen z. B.: Flughöhe, andere Verkehrsteilnehmer, Luftfeuchtigkeit, Lufttemperatur, Wind, Luftströmung und Parameter des Luftfahrzeugs wie z. B.: Aerodynamik, Schub, Gewicht, zulässige Beschleunigung, Schwerpunkt, Kipppunkt und Lenkbarkeit.

In der Regel sind alle Teile der Erfindung im Fahrzeug untergebracht. Mit Hinblick auf Einsparungen an Hardwarekosten, oder einer Gewichtsersparnis ist eine Fahrzeugsteuereinrichtung vorteilhaft, deren Systemrechner sich außerhalb (Anspruch 11) des Fahrzeugs befindet. Er kann sich in dem GPS-Satelliten befinden, oder in einer zentralen Verkehrsleitstelle. Von dort aus kann ein Systemrechner die Aufgabe übernehmen mehrere Fahrzeuge zu warnen, oder zu steuern. Die Datenübertragung erfolgt dabei bspw. per Satellit, oder per Funk.

Abkürzungen

ermittelte Geschwindigkeit des Streckenabschnitts = V_i

energiesparende Geschwindigkeit des Streckenabschnitts = V_energie

sichere Geschwindigkeit des Streckenabschnitts = V_sicherheit

Claims

1. Fahrzeugsteuereinrichtung von Land-, Wasser-, oder Luftfahrzeugen, mit wenigstens einem Mittel (z. B. GPS-System = Global Positioning System) zum Erfassen von aktuellen Fahrdaten des Fahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass I.) oder II.), oder beides,

1. I.) für die Fahrstrecke wenigstens eine der folgenden Geschwindigkeiten bestimmt werden:
- a) energiesparende Geschwindigkeiten.
- b) sichere Geschwindigkeiten, die die Position und Geschwindigkeit von anderen Verkehrsteilnehmer berücksichtigt und die eine Kollision mit diesen Verkehrsteilnehmern verhindert.
- c) sichere Geschwindigkeiten für das Durchfahren der Fahrstrecke.
und diese Geschwindigkeit(en) aus a)-c) mit der tatsächlichen Fahrzeuggeschwindigkeit zu vergleichen und bei Unter- oder Überschreiten eine Warnung durch eine Anzeige/Signal (33), oder ein Eingriff in die Fahrzeugsteuerung (34), oder beides zu bewirken.
2. II.) für Wasser-, oder Luftfahrzeuge für eine Geschwindigkeit wenigstens eine der folgenden Fahrstrecken bestimmt werden:
- a) energiesparende Fahrstrecke (z. B. die kürzeste).
- b) sichere Fahrstrecke, die die Position und Geschwindigkeit von anderen Verkehrsteilnehmer berücksichtigt und die eine Kollision mit diesen Verkehrsteilnehmern verhindert.
- c) sichere Fahrstrecke für das Durchfahren der Fahrstrecke
und diese bestimmte Fahrstrecke(n) aus a)-c) mit der tatsächlichen Fahrzeugposition zu vergleichen und bei einer Abweichung von dieser eine Warnung durch eine Anzeige/Signal (33), oder ein Eingriff in die Fahrzeugsteuerung (34), oder beides zu bewirken.

2. Fahrzeugsteuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeiten I.)a) bestimmt werden bezüglich der an die Fahrzeugsteuereinrichtung vorgegebenen Reisezeit.

3. Fahrzeugsteuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus wenigsten zwei der bestimmten Geschwindigkeiten I.)a)-c) die kleinste ausgewählt wird, mit der dann die tatsächliche Fahrzeuggeschwindigkeit verglichen wird.

4. Fahrzeugsteuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus wenigsten zwei der bestimmten Fahrstrecken II.)a)-c) eine ausgewählt wird, mit der dann die tatsächliche Fahrzeugposition verglichen wird.

5. Fahrzeugsteuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich ständig ändernde, oder neue Parameter z. B. Geschwindigkeitsbegrenzungen, Ampelschaltphasen, Wetterlage, Positionsdaten anderer Verkehrsteilnehmer und Geographieänderungen, extern oder intern zugeführt werden oder aktualisiert werden und zur Bestimmung der Geschwindigkeiten I.)a)-c) und/oder Fahrstrecken II.)a)-c) herangezogen werden.

6. Fahrzeugsteuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der folgenden Parameter zur Berechnung der Geschwindigkeiten eines Wasserfahrzeuges beitragen. Die Parameter sind: Fliehkraft, Wasserdichte, Wassertiefe, Wellenhöhe, Wind, Wasserströmung, Wassertemperatur, Wasserverdrängung, Wasserwiderstandsbeiwert, Parameter des Wasserfahrzeugs wie z. B.:
Tiefgang, Schwerpunkt, Bremsverzögerung des Wasserfahrzeuges, Motorbremsverzögerung des Wasserfahrzeuges, Traktion, Neigung zum Über- oder zum Untersteuern, Kipppunkt, Lenkbarkeit.

7. Fahrzeugsteuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Verkehrsteilnehmer ihre Position und/oder andere Daten untereinander austauschen, und/oder an ein zentrales System, oder zentrale Verkehrsleitstelle (31) weiterleiten, um bei der Bestimmung der Geschwindigkeiten I.)a)-c) und/oder Fahrstrecken II.)a)-c) und/oder der Wegbeurteilung und/oder der Verkehrsleitung berücksichtigt zu werden.

8. Fahrzeugsteuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine zentrale Fahrzeugsteuereinrichtung, oder eines der Fahrzeugsteuereinrichtungen in den Fahrzeugen entscheidet, bei welchem der betreffenden Fahrzeuge der Fahrzeuglenker durch eine Anzeige bzw. ein Signal (33) informiert und/oder gewarnt wird, und/oder in welches der Fahrzeuge in die Fahrzeugsteuerung (34) eingegriffen wird, um eine Kollision zu vermeiden.

9. Fahrzeugsteuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzeigen bzw. Signale (33) (z. B. Geschwindigkeitsdifferenzen) in ein Helmvisier projiziert werden.

10. Fahrzeugsteuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das GPS-System (29) in einem tragbaren System (z. B. Mobiltelefon, Wander-GPS-System) untergebracht ist, das mit dem Systemrechner kommuniziert.

11. Fahrzeugsteuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der System-Rechner der Fahrzeugsteuereinrichtung vom Fahrzeug räumlich getrennt ist, aber ein Datenaustausch mit den anderen Teilen der Fahrzeugsteuereinrichtung, die sich im Fahrzeug befinden, statt findet.

12. Fahrzeugsteuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fahrstrecke von der Fahrzeugsteuereinrichtung geändert wird.