DE10141805A1 - Fahrzeugsteuereinrichtung von Land-, Wasser- oder Luftfahrzeugen mit Geschwindigkeits- und Wegstreckenbestimmung - Google Patents
Fahrzeugsteuereinrichtung von Land-, Wasser- oder Luftfahrzeugen mit Geschwindigkeits- und WegstreckenbestimmungInfo
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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.
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.
(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 Vsicherheit des
Fahrzeugs:
Als zweites werden vom Systemrechner die energiesparenden
Geschwindigkeiten für die Streckenabschnitte ausgerechnet. Venergie
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 Fh (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 Vsicherheit können die energiesparenden
Geschwindigkeiten für alle Streckenabschnitte 1-20 bestimmt werden.
Ausgangspunkt für die weitere Berechnung ist der Streckenabschnitt an
dem die geringste ermittelte Vsicherheit besteht, bevor die Vsicherheit 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]
SA = Streckenabschnitt
sG = sichere Geschwindigkeit [km/h]
Danach wird, von diesem Streckenabschnitt aus, für jeden weiteren
Streckenabschnitt die energiesparende Geschwindigkeit Venergie 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 V9energie ist somit
die sichere Geschwindigkeit des vorherigen Streckenabschnitts V8
maßgeblich und für die Ermittlung der energiesparenden Geschwindigkeit
V10energie die ermittelte Geschwindigkeit des vorherigen Streckenabschnitts
V9 maßgeblich usw.
Die energiesparenden Geschwindigkeiten Venergie werden dabei immer mit
der sicheren Geschwindigkeit Vsicherheit 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 Vi. Mit dieser
wird dann auch, zum Ermitteln der energiesparenden Geschwindigkeit des
nächsten Streckenabschnitts, weitergerechnet.
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 Vi 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 Vi 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 Vi 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
Vi 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 Vi 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 Vi 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 Vi leuchtet ein
blasseres Grün auf.
Eine weitere Alternative die für den Fahrzeuglenker 32 rein informativer
Natur ist, ist die Ausgabe der ermittelten Geschwindigkeit Vi, oder die
Differenz der tatsächlichen Fahrzeuggeschwindigkeit zu Vi, auf einer
Anzeige 33.
Eine weitere Lösung ist, dass falls sich die tatsächliche
Fahrzeuggeschwindigkeit zwischen Vi und Vsicherheit befindet, die
Abweichung zu Vi nur angezeigt wird. Vorraussetzung ist dabei dass Vi
ungleich Vsicherheit ist. Überschreitet das Fahrzeug jedoch Vsicherheit 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 Vsicherheit 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 Vi 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 Vi 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 Vsicherheit 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 Venergie und Vsicherheit auch
noch die Geschwindigkeit der Geschwindigkeitsbegrenzung des jeweiligen
Streckenabschnitts miteinander verglichen werden. In diesem Fall ist die
kleinste der drei Geschwindigkeiten dann Vi .
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.
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 Vsicherheit berechnet. Die Berechnung
erfolgt dabei analog der Berechnung Vsicherheit 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 Vsicherheit 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
Vsicherheit. Die Berechnung erfolgt dabei analog der Berechnung für
Landfahrzeuge (im Rechenbeispiel Seite 5 oben). Der Radius r erhält man
durch die Auflösung der Gleichung Vsicherheit 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.
ermittelte Geschwindigkeit des Streckenabschnitts = Vi
energiesparende Geschwindigkeit des Streckenabschnitts = Venergie
sichere Geschwindigkeit des Streckenabschnitts = Vsicherheit
Claims (12)
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.
- 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
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.
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.
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