DE102004053956A1 - Vorrichtung und Verfahren zur autonomen, fahrzeugseitigen Erhebung und Verarbeitung positionsbezogener Daten - Google Patents

Abstract

Eine Vorrichtung zur autonomen, fahrzeugseitigen Erhebung und Verarbeitung positionsbezogener Daten, umfassend ein erstes, infrastrukturgestütztes Positionsbestimmungsmittel, zur Bestimmung einer aktuellen Fahrzeugposition, sowie ein zweites Positionsbestimmungsmittel nach Art einer Koppelortung, zur Bestimmung einer aktuellen Fahrzeugposition zumindest für den Fall des Ausfalls des ersten Positionsbestimmungsmittels, wobei das zweite Positionsbestimmungsmittel eine aktuelle Fahrzeuggeschwindigkeit berücksichtigt und dazu einen Sensor, zur autonomen Ermittlung der Motordrehzahl, und eine Verarbeitungseinheit, zur Erzeugung von Information über die Fahrzeuggeschwindigkeit aus der ermittelten Motordrehzahl unter Berücksichtigung der Übersetzungsverhältnisse des Fahrzeuggetriebes, umfasst.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur autonomen, fahrzeugseitigen Erhebung und Verarbeitung positionsbezogener Daten gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein entsprechendes Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 8. Positionsbezogene Daten werden beispielsweise von Vorrichtungen zur Erfassung von Straßenbenutzungsgebühren oder von Navigationsvorrichtungen erhoben und verarbeitet. In diesem Zusammenhang bedeutet autonom, dass keine Einbauarbeiten oder Eingriffe ins Fahrzeug notwendig sind, um die Vorrichtung zu betreiben. Vielmehr ist die autonome Vorrichtung in jedem üblichen Fahrzeug sofort einsetzbar, beispielsweise durch Einlegen in eine entsprechende Halterung und elektrische Verbindung mit dem Zigarettenanzünder bzw. der Bordspannungs-Steckdose.
• Die DE 696 20 300 T2 betrifft eine fahrzeugseitige Vorrichtung zur Verarbeitung positionsbezogener Daten, umfassend einen Fahrzeuggeschwindigkeitssensor zum Ausgeben von Takten in Zeitintervallen, deren Frequenz proportional zur Drehzahl der Getriebeausgangswelle des Fahrzeugs ist. Es liegt hier jedoch keine autonome Vorrichtung vor, da eine elektrische bzw. mechanische Verbindung mit der Getriebeausgangswelle des Fahrzeugs nötig ist.
• Die DE 197 32 088 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Bestimmung der Drehzahl einer Brennkraftmaschine, wobei die Drehzahl aus einer Analyse der Bordspannung gewonnen wird. Dies ermöglicht eine Drehzahlmessung für Test- und Prüfzwecke von Benzin- und Dieselmotoren von Kraftfahrzeugen.
• Die WO 2004/025573 A1 legt eine autonome, fahrzeugseitige Vorrichtung zur Verarbeitung positionsbezogener Daten dar. Diese Vorrichtung umfasst ein erstes Positionsbestimmungsmittel zur Bereitstellung einer aktuellen Fahrzeugposition. Für den Fall des Ausfalls dieses ersten Positionsbestimmungsmittels ist ein zweites Positionsbestimmungsmittel vorgesehen, das unter Verwendung eines Mobilfunktransceivers eine Positionsbestimmung vornimmt.
• Die gattungsbildende WO 03/038763 A1 schlägt ebenfalls eine autonome, fahrzeugseitige Vorrichtung zur Verarbeitung positionsbezogener Daten vor. Diese Vorrichtung umfasst ein erstes, satellitengestütztes Positionsbestimmungsmittel zur Bereitstellung einer aktuellen Fahrzeugposition. Für den Fall des Ausfalls dieses ersten Positionsbestimmungsmittels ist ein zweites Positionsbestimmungsmittel in Form eines Inertial-Positionsbestimmungsmittels vorgesehen.
• Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die gattungsbildende Vorrichtung derart weiter zu verbessern, dass für den Fall des Ausfalls eines ersten, infrastrukturgestützten Positionsbestimmungsmittels eine autonome Positionsbestimmung mit hoher Genauigkeit einfach und kostengünstig realisierbar ist. Weiterhin besteht die Aufgabe darin, ein entsprechendes Verfahren anzugeben.
• Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das zweite Positionsbestimmungsmittel, nach Art einer Koppelortung, eine aktuelle Fahrzeuggeschwindigkeit berücksichtigt und dazu einen Sensor, zur autonomen Ermittlung der Motordrehzahl, und eine Verarbeitungseinheit, zur Erzeugung von Information über die Fahrzeuggeschwindigkeit aus der ermittelten Motordrehzahl unter Berücksichtigung der Übersetzungsverhältnisse des Fahrzeuggetriebes, umfasst.
• Die gattungsbildende WO 03/038763 A1 schlägt die Verwendung eines – bspw. in der EP 1 096 230 dargelegten – Inertial-Positionsbestimmungsmittels vor. Ein solches Inertial-Positionsbestimmungsmittel, das im Wesentlichen auf Beschleunigungssensoren basiert, ermöglicht bekanntlich nur eine recht ungenaue Positionsbestimmung eines Fahrzeuges. Denn zur Bestimmung des vom Fahrzeug zurückgelegten Weges ist eine zweimalige mathematische Integration der sensierten Beschleunigungswerte notwendig. Selbst Beschleunigungssensoren nach neuester Technologie weisen noch eine hohe Fehlercharakteristik auf. Außerdem sind Beschleunigungssensoren relativ teuer.
• Wie dem Fachmann bekannt ist, kann jedoch durch die zusätzliche Verwendung der aktuellen Fahrzeuggeschwindigkeit eine deutliche Erhöhung der Genauigkeit eines Inertial-Positionsbestimmungsmittels erreicht werden. Denn zur Bestimmung des vom Fahrzeug zurückgelegten Weges ist nur noch eine einmalige mathematische Integration der Werte der Fahrzeuggeschwindigkeit notwendig. Dies führte allerdings bisher zwangsläufig zu Einbauarbeiten bzw. einem Eingriff in das Fahrzeug. Denn geeignete Mittel zur Bestimmung der Fahrzeuggeschwindigkeit, wie z.B. Radsensoren oder ein Odometer, erfordern stets eine elektrische und/oder mechanische Verbindung zwischen Fahrzeug und Positionsbestimmungsmittel. Zusätzlich erforderlich ist auch eine fahrzeugindividuelle An passung des nicht genormten Signals der Fahrzeuggeschwindigkeit an das jeweilige Positionsbestimmungsmittel. Folglich kann eine derartige Vorrichtung nicht mehr als autonom im Sinne der Erfindung bezeichnet werden.
• Hier schafft nun die Erfindung Abhilfe und ermöglicht erstmals eine einfache, autonome Bestimmung der Fahrzeuggeschwindigkeit. Diese Bestimmung findet erfindungsgemäß in zwei Schritten statt. In einem ersten Schritt erfolgt über einen speziellen Sensor eine autonome (kontaktlose) Messung der Motordrehzahl. In einem zweiten Schritt erzeugt eine Verarbeitungseinheit aus der ermittelten Motordrehzahl unter Berücksichtigung der Übersetzungsverhältnisse des Fahrzeuggetriebes, d.h. der Übersetzungen der einzelnen Gangstufen, eine Information über die Raddrehzahl und damit über die Fahrzeuggeschwindigkeit.
• Dabei bedeutet autonome Ermittlung der Motordrehzahl, dass die Ermittlung unter Verwendung indirekter Sensorik, d.h. ohne einen Eingriff in das Fahrzeug, realisiert wird. Insbesondere wird hier eine durch den Motorbetrieb erzeugte Welle, beispielsweise eine sich mechanisch oder elektrisch fahrzeugseitig ausbreitende Schwingung, aufgenommen und anschließend ausgewertet.
• In einer Ausführungsform ist vorgesehen, den Sensor als akustischen Aufnehmer auszuführen, zur Messung der Zündfolge des Motors durch Körperschall. Es hat sich nämlich gezeigt, dass über die Aufnahme des Körperschalls eine relativ zuverlässige Bestimmung der Motordrehzahl möglich ist. Der Sensor ist in dieser Ausführungsform beispielsweise als preisgünstiges Piezo-Mikrofon ausgeführt.
• In einer weiteren Ausführungsform ist alternativ oder zusätzlich vorgesehen, den Sensor als elektrischen Aufnehmer auszuführen, zur Analyse der Restwelligkeit der Bordspannung. Die Restwelligkeit hat bei Benzinmotoren ihre Ursache in Rückspeisungen der Zündung in das Spannungsbordnetz, bei Dieselmotoren wird sie von den Polwicklungen der Lichtmaschine verursacht und bleibt trotz der Glättung durch die Batterie in geringem Umfang erhalten.
• Mit Vorteil wird vorgeschlagen, einen Beschleunigungsgeber vorzusehen. Dieser ermöglicht die Detektion von Schaltpausen und Motorleerlauf bei Stillstand. Damit ist die Verarbeitungseinheit in der Lage, derartige Zustände zu erkennen und als Konsequenz kein Übersetzungsverhältnis des Fahrzeuggetriebes zu verwenden.
• Ein Verfahren zur autonomen, fahrzeugseitigen Erhebung und Verarbeitung positionsbezogener Daten umfassend die folgenden Schritte: a) autonomes ermitteln einer aktuellen Motordrehzahl mit einem Sensor, b) bestimmen einer aktuellen Fahrzeuggeschwindigkeit unter Verwendung eines ersten, infrastrukturgestützten Positionsbestimmungsmittels, c) bestimmen einer aktuellen Gangstufe des Fahrzeuggetriebes unter Verwendung der ermittelten Motordrehzahl, der aktuell bestimmten Fahrzeuggeschwindigkeit und unter Berücksichtigung der Übersetzungsverhältnisse der Gangstufen des Fahrzeuggetriebes, wobei zumindest für den Fall des Ausfalls des ersten Positionsbestimmungsmittels ein zweites Positionsbestimmungsmittel, nach Art einer Koppelortung, verwendet wird welches eine aktuelle Fahrzeuggeschwindigkeit berücksichtigt, wobei die aktuelle Fahrzeuggeschwindigkeit fortlaufend berechnet wird aus der dann aktuellen Gangstufe und der autonom ermittelten Motordrehzahl unter Berücksichtigung der Übersetzungsverhältnisse der Gangstufen des Fahrzeuggetriebes. Anders ausgedrückt wird im Normalbetrieb die aktuelle Fahrzeuggeschwindigkeit unter Verwendung des ersten Positionsbestimmungsmittels bestimmt. Bei einem Ausfall dieses Positionsbestimmungsmittels erfolgt ein Umschalten auf eine Berechnung einer weiterhin aktuellen Fahrzeuggeschwindigkeit. Als Startwerte für diese Berechnung werden die bis zum Zeitpunkt des Ausfalls fortlaufend ermittelten Größen Fahrzeuggeschwindigkeit und Gangstufe des Fahrzeuggetriebes verwendet. Somit ergibt sich stets eine aktuelle und genaue Bestimmung der aktuellen Fahrzeugposition.
• Mit Vorteil wird vorgeschlagen dass für den Fall, das ein Schaltvorgang während des Ausfalls des ersten Positionsbestimmungsmittels beispielsweise durch Verwendung eines Beschleunigungsgebers detektiert wird, die Berechnung der aktuellen Fahrzeuggeschwindigkeit ausgesetzt wird. Stattdessen wird während des Schaltvorgangs die aktuelle Fahrzeuggeschwindigkeit aus der autonom gemessenen Beschleunigung des Fahrzeugs berechnet, z.B. durch Integration der Beschleunigungswerte. Denn während des Schaltvorgangs ist ja kein zu berücksichtigendes Übersetzungsverhältnis des Fahrzeuggetriebes vorhanden.
• Vorteilhaft ist es, zur Ermittlung der Übersetzungsverhältnisse, d.h. der Gangstufen, des Fahrzeuggetriebes während der Verfügbarkeit des ersten Positionsbestimmungsmittels eine separate Kalibrierphase und/oder eine zumindest zeitweise Lernphasen vorzusehen. Dies ermöglicht eine individuelle Berücksichtigung der Werte eines einzelnen Fahrzeuggetriebes.
• Das erste Positionsbestimmungsmittel ist vorzugsweise satellitengestützt. Solche GPS-, Glonass- und/oder Galileogestützten Systeme sind weit verbreitet und recht preiswert.
• Die Erfindung wird nun anhand einer Zeichnung näher beschrieben. Dabei zeigen:
• 1 symbolisch den Zusammenhang zwischen Motordrehzahl und Fahrzeuggeschwindigkeit am Beispiel eines Fahrzeuggetriebes mit drei Schaltstufen;
• 2 beispielhaft das Vorgehen beim Ausfall des ersten Positionsbestimmungsmittels.
• 1 zeigt den Zusammenhang zwischen Motordrehzahl und Fahrzeuggeschwindigkeit bei manuellen oder automatischen Fahrzeuggetrieben. Aufgetragen ist eine jeweilige Fahrzeuggeschwindigkeit v über der Motordrehzahl n. Der schattierte Bereich symbolisiert dabei den Betriebsbereich des Motors. Im gekuppelten Zustand des Fahrzeuggetriebes werden nur die fett markierten Linien in der v-n-Ebene genutzt. Das bedeutet, dass für eine vorgegebene Motordrehzahl n lediglich eine Fahrzeuggeschwindigkeit v möglich ist, die auf einer der fett markierten Linien lokalisiert ist. Bei Gangwechseln oder im Leerlauf kann auch ein Betriebszustand im schattierten Bereich außerhalb der fett markierten Linien anzutreffen sein.
• Während der Verfügbarkeitsphasen des ersten Positionsbestimmungsmittels ist die Fahrzeuggeschwindigkeit v unter Verwendung dieses Positionsbestimmungsmittels messbar. Wenn das erste Positionsbestimmungsmittel beispielsweise GPS-gestützt ist, wird die Fahrzeuggeschwindigkeit als Messergebnis „GPS-Geschwindigkeit" vom ersten Positionsbestimmungsmittel bereitgestellt. Die Übersetzungsverhältnisse des Fahrzeuggetriebes, als Verhältnis der bestimmten Fahrzeuggeschwindigkeit v zur ermittelten Motordrehzahl n, sind dann durch statistische Auswertung des v/n-Verhältnisses entweder in einer separaten Kalibrierphase ermittelbar oder während des normalen Betriebes des Fahrzeugs 'erlernbar'.
• Ein Verfahren zur ständigen Bereitstellung einer aktuellen Fahrzeugposition läuft nun folgendermaßen ab: Im Normalbetrieb mit GPS-Kontakt wird fortlaufend die Motordrehzahl auf eine der bekannten Gangstufen abgebildet (Gangstufentracking). Bei einem GPS-Ausfall wird die zuletzt bestimmte fahrzeuggeschwindigkeit aufgrund der bekannten Gangstufe und dem bekannten Übersetzungsverhältnis weiterverfolgt. Mit Hilfe des Beschleunigungsgebers kann detektiert werden, ob Schaltvorgänge erfolgen (starke Änderung der Motordrehzahl im Vergleich zur Fahrzeuggeschwindigkeit). Für diesen Zeitraum wird die Fahrzeuggeschwindigkeit aus der Beschleunigung hochgerechnet (integriert) bis die Fahrzeuggeschwindigkeit zu einer neuen Gangstufe „passt", siehe Erläuterungen zu 2.
• 2 zeigt beispielhaft das Vorgehen beim Ausfall des ersten Positionsbestimmungsmittels. Dargestellt ist der Vergleich zwischen der Fahrzeuggeschwindigkeit und der mit den unterschiedlichen Übersetzungsverhältnissen des Fahrzeuggetriebes transformierten Motordrehzahl. Bei zu Beginn verfügbarem GPS-Empfang ist der Zeitablauf anhand verschiedener Zeitpunkte t dargestellt:
• – t = 420 ... 430: GPS verfügbar Im Normalbetrieb erfolgt permanent der Abgleich zwischen der bestimmten GPS-Geschwindigkeit und der bestimmten Gangstufe, hier dem 5. Gang. Das Diagramm zeigt die gute Korrelation zwischen GPS-Geschwindigkeit (strichliert) und der transformierten Motordrehzahl.
• – t = 430 ...: GPS Ausfall Berechnung der Fahrgeschwindigkeit auf Basis der Motordrehzahl unter Berücksichtigung der Gangstufe, hier der 5. Gang.
• – t ≈ 436: Schaltvorgang 5 auf 4 Mit einem Beschleunigungsgeber wird detektiert, dass das Fahrzeug etwa mit gleicher Geschwindigkeit weiterfährt, während die mit der letzten Gangstufe, hier der 5. Gang, hochgerechnete Motordrehzahl nach oben „ausreißt".
• – t = 437 ...: Schaltvorgang 5 auf 4 abgeschlossen Während des Schaltvorgangs wird die Fahrzeuggeschwindigkeit über Motordrehzahl und eine der möglichen Gangstufen abzubilden. Ab t = 437 gelingt dies mit dem auf Fahrgeschwindigkeit umgerechneten 4. Gang. Die Fahrzeuggeschwindigkeit wird nun über die Annahme des Übersetzungsverhältnisses der Gangstufe 4 weiterverfolgt.
• – t = 459 ... 460 erneuter Schaltvorgang 4 auf 3 (s.o.) ...

Claims (10)

1. Vorrichtung zur autonomen, fahrzeugseitigen Erhebung und Verarbeitung positionsbezogener Daten umfassend ein erstes, infrastrukturgestütztes Positionsbestimmungsmittel, zur Bereitstellung einer aktuellen Fahrzeugposition, sowie ein zweites Positionsbestimmungsmittel nach Art einer Koppelortung, zur Bereitstellung einer aktuellen Fahrzeugposition zumindest für den Fall des Ausfalls des ersten Positionsbestimmungsmittels, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Positionsbestimmungsmittel eine aktuelle Fahrzeuggeschwindigkeit berücksichtigt und dazu einen Sensor, zur autonomen Ermittlung der Motordrehzahl, und eine Verarbeitungseinheit, zur Erzeugung von Information über die Fahrzeuggeschwindigkeit aus der ermittelten Motordrehzahl unter Berücksichtigung der Übersetzungsverhältnisse des Fahrzeuggetriebes, umfasst.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das erste Positionsbestimmungsmittel satellitengestützt ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Sensor als akustischer Aufnehmer ausgeführt ist, zur Ermittlung der Zündfolge des Motors durch Körperschall.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei der Sensor als Piezo-Mikrofon ausgeführt ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Sensor als elektrischer Aufnehmer ausgeführt ist, zur Analyse der Restwelligkeit der Bordspannung.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Beschleunigungsgeber umfasst ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung zur Erhebung von Straßenbenutzungsgebühren geeignet ist.
8. Verfahren zur autonomen, fahrzeugseitigen Erhebung und Verarbeitung positionsbezogener Daten umfassend die Schritte – autonomes ermitteln einer aktuellen Motordrehzahl mit einem Sensor, – bestimmen einer aktuellen Fahrzeuggeschwindigkeit unter Verwendung eines ersten, infrastrukturgestützten Posi tionsbestimmungsmittels, – bestimmen einer aktuellen Gangstufe des Fahrzeuggetriebes unter Verwendung der ermittelten Motordrehzahl, der aktuell bestimmten Fahrzeuggeschwindigkeit und unter Berücksichtigung der Übersetzungsverhältnisse der Gangstufen des Fahrzeuggetriebes, wobei zumindest für den Fall des Ausfalls des ersten Positionsbestimmungsmittels ein zweites Positionsbestimmungsmittel, nach Art einer Koppelortung, verwendet wird welches eine aktuelle Fahrzeuggeschwindigkeit berücksichtigt, wobei die aktuelle Fahrzeuggeschwindigkeit fortlaufend berechnet wird aus der dann aktuellen Gangstufe und der autonom ermittelten Motordrehzahl un ter Berücksichtigung der Übersetzungsverhältnisse der Gangstufen des Fahrzeuggetriebes.
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei für den Fall, das ein Schaltvorgang während des Ausfalls des ersten Positionsbestimmungsmittels detektiert wird, die Berechnung der aktuellen Fahrzeuggeschwindigkeit während dieses Schaltvorgangs aus der autonom gemessenen Beschleunigung des Fahrzeugs berechnet wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei zur Ermittlung der Übersetzungsverhältnisse der Gangstufen des Fahrzeuggetriebes während der Verfügbarkeit des ersten Positionsbestimmungsmittels eine separate Kalibrierphase und/oder ein zumindest zeitweise Lernphasen vorgesehen sind.