DE102008027087B4 - Verfahren zum Bestimmen eines Neigungswinkels eines Fahrzeugs - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Bestimmen eines Neigungswinkels eines Fahrzeugs wobei durch Messung von Beschleunigungen des Fahrzeugs jeweils in Richtung entlang einer X-Achse, einer Y-Achse und einer Z-Achse, wobei die X-Achse, die Y-Achse und die Z-Achse im wesentlichen jeweils senkrecht zueinander verlaufen, Beschleunigungsmesswerte bereitgestellt werden, wobei ein aktueller Neigungswinkel des Fahrzeugs als Funktion der Beschleunigungsmesswerte berechnet wird, wobei die Größe einer Vektorsumme der Beschleunigungen des Fahrzeugs in Richtung entlang der X-Achse, der Y-Achse und der Z-Achse berechnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein kompensierter Neigungswinkel als Funktion des aktuellen, aus den Beschleunigungsmesswerten berechneten Neigungswinkels, mindestens eines vorhergehenden Neigungswinkels und der Größe der Vektorsumme der Beschleunigungen in Richtung entlang der X-Achse, der Y-Achse und der Z-Achse berechnet wird, wobei der mindestens eine vorhergehende Neigungswinkel zum Berechnen des kompensierten Neigungswinkels verwendet wird, wenn die Größe der Vektorsumme der Beschleunigungen in Richtung entlang der X-Achse, der Y-Achse und der Z-Achse sich wesentlich von der Größe der Erdbeschleunigung unterscheidet.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines Neigungswinkels eines Fahrzeugs. Dabei werden durch Messung von Beschleunigungen des Fahrzeugs jeweils in Richtung entlang einer X-Achse, einer Y-Achse und einer Z-Achse, die jeweils im wesentlichen senkrecht zueinander verlaufen, Beschleunigungsmesswerte erzeugt. Ein aktueller Neigungswinkel des Fahrzeugs wird als Funktion der Beschleunigungsmesswerte berechnet.
• Neigungssensoren wie beispielsweise Beschleunigungsmesser oder elektrolytische Sensoren, die die Schwerkraft als Bezugsgröße verwenden, unterliegen einer Kopplung zwischen gemessenen Neigungswinkeln und Beschleunigungseffekten. Diese Beschleunigungseffekte führen zu Fehlern im gemessenen Neigungswinkel. Beim Einsatz im Automobilbereich führen Fahrmanöver, wie beispielsweise eine Beschleunigung oder ein Abbremsen des Fahrzeugs sowie Fliehkräfte bei einer Kurvenfahrt, zu einem Fehler im gemessenen Neigungswinkel, wobei dieser Effekt vergleichbar zum Schwappen vom Wasser in einem Eimer ist. Die von der Schwerkraft und von Fahrzeugbeschleunigungen herrührenden Beschleunigungen wirken additiv. In einem Fahrzeug, das von 0 auf 100 km/h beschleunigt, kann der Fehler im resultierenden Vektor zum Beispiel um mehr als 20° variieren.
• Mechanische Neigungssensoren zur Verwendung bei Produkten im Automobilbereich weisen im Allgemeinen eine in einer Flüssigkeit gelagerte, gewichtsbelastete Kugel auf. Die gewichtsbelastete Kugel kann sich drehen und Neigungswinkel mit einer Genauigkeit von üblicherweise +/- 5° anzeigen. Eine dynamische Kompensation wird bei dieser Art von mechanischen Sensoren durch ihr langsames Ansprechverhalten erreicht. Weiterhin sind elektrolytische Neigungsmesser und kostengünstige Neigungsmesser für Laboranwendungen bekannt, die eine hohe Genauigkeit jedoch keine dynamische Kompensation aufweisen. Neigungssensoren mit kostengünstigen Beschleunigungsmessern werden häufig zur Detektion einer Neigung bei Spieleanwendungen benutzt. Allerdings weisen diese kostengünstigen, auf Beschleunigungsmessern basierenden Neigungssensoren im Allgemeinen keine dynamische Kompensation auf. Neigungssensoren mit dynamischer Kompensation werden bei Anwendungen in der Luftfahrtelektronik benutzt. Diese dynamischen Neigungssensoren benutzen, zusätzlich zu den Beschleunigungsmessern, gyroskopische Sensoren und verwenden Rechenalgorithmen zur Kompensation.
• Die US 6,259,999 B1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen eines Trägheitszustands eines Fahrzeugs. Der Trägheitszustand des Fahrzeugs kann unabhängig von dynamischen Fahrzeugbewegungen durch Messen der Beschleunigungen des Fahrzeugs in Richtung seiner Längsachse, Querachse und Hochachse bestimmt werden. Die gemessenen Beschleunigungskomponenten werden gefiltert, um kleine Störungen der einzelnen Beschleunigungskomponenten herauszufiltern. Ein geeignetes Filter ist zum Beispiel ein Medianfilter oder ein anderes Digitalfilter mit einer Tiefpasscharakteristik. In einem Medianfilter wird jede Beschleunigungskomponente über ein gewisses Zeitintervall hinweg abgetastet, und alle Abtastwerte werden in mehrere Datentupel unterteilt. Für jedes Datentupel wird der durchschnittliche Abtastwert bestimmt. Aus den gefilterten Beschleunigungskomponenten wird ein resultierender Beschleunigungsvektor gebildet und die Größe des resultierenden Beschleunigungsvektors wird ermittelt. Die Größe des resultierenden Beschleunigungsvektors wird einer Schwellenwertentscheidung unterzogen, wobei ein Wertebereichfenster verwendet wird, das von einem Schwellenwert, der größer als die Erdbeschleunigung ist, sowie von einem Schwellenwert, der kleiner als die Erdbeschleunigung ist, begrenzt wird. Ein aktueller Kurswinkel des Fahrzeugs in Bezug auf seine Längsachse und/oder der aktuelle Kurswinkel in Bezug auf seine Querachse werden nur dann bestimmt, wenn die Größe des Beschleunigungsvektors im Wertebereichfenster liegt. Andernfalls werden die vorher bestimmten Kurswinkel beibehalten. Ein Nachteil des in der US 6,259,999 B1 beschriebenen Verfahrens ist, dass eine dynamische Fahrzeugbewegung dazu führen kann, dass die Größe des Beschleunigungsvektors für eine längere Zeitdauer außerhalb des Wertebereichfensters liegt. In einem derartigen Fall kann es sein, dass die Bestimmung des Trägheitszustands des Fahrzeugs unzuverlässig ist, da die Bestimmung des Trägheitsstatus einzig auf alten und möglicherweise überholten Kurswinkeln basiert.
• Die US 2002/0022924 A1 beschreibt ein Verfahren zum Vorausberechnen einer Position eines Fahrzeugs, wobei zum Bestimmen des Nickwinkels und des Wankwinkels des Fahrzeugs ein mehrachsiger Beschleunigungsmesser verwendet wird und wobei die berechneten Nick- und Wankwinkel dazu verwendet werden, die Position des Fahrzeugs mit den Beschleunigungssignalen vom mehrachsigen Beschleunigungsmesser vorauszuberechnen. Die Nick- und Wankwinkel des Fahrzeugs werden durch Vergleichen der Information vom mehrachsigen Beschleunigungsmesser mit anderen Geschwindigkeits- und/oder Richtungsinformationen, wie beispielsweise GPS-Information und/oder einer Analyse der Kartenabgleichinformation ermittelt. Die Nick- und Wankwinkel des Fahrzeugs können auch nur mit dem mehrachsigen Beschleunigungsmesser ermittelt werden, wenn weder GPS-Geschwindigkeitsinformation noch Information über einen Kartenabgleich verfügbar sind. Die Nick- und Wankwinkel des Fahrzeugs werden mit den mehrachsigen Beschleunigungsmessern bestimmt, wenn die Erdanziehung im Wesentlichen die einzige Beschleunigung ist, die auf den mehrachsigen Beschleunigungsmesser wirkt. Wenn der resultierende Vektor von den orthogonalen Beschleunigungsmessern und dem mehrachsigen Beschleunigungsmesser im Wesentlichen 1 g (Erdbeschleunigung) ist und über eine Zeitdauer von mehreren Sekunden im wesentlichen konstant ist, können die Nick- und Wankwinkel des Fahrzeugs durch einen Vergleich der Fahrzeugachsen mit dem resultierenden Vektor mit der Größe 1 g bestimmt werden. Ein Nachteil des in der US 2002/0022924 A1 beschriebenen Verfahrens ist, dass, wenn keine GPS-Information verfügbar ist, die Nick- und Wankwinkel nur bestimmt werden können, wenn es keine Störungen gibt, d.h. wenn der resultierende Vektor von den orthogonalen Beschleunigungsmessern und dem mehrachsigen Beschleunigungsmesser in Wesentlichen 1 g ist und über einen Zeitraum von mehreren Sekunden im Wesentlichen konstant ist.
• Die US 6,178,375 B1 offenbart ein Verfahren zum Bestimmen von Drehpositionswinkeln eines Fahrzeugs durch Messen von Beschleunigungen des Fahrzeugs in x-, y- und z-Richtung und Berechnen von Positionswinkelwerten aus den gemessenen Beschleunigungen mit Hilfe von zwei Algorithmen. Trägheitspositionswinkel werden durch die Wahl des jeweils kleineren der ersten und zweiten Positionswinkelwerte bestimmt, da die kleineren Positionswinkelwerte eine höhere Wahrscheinlichkeit haben der tatsächlichen Trägheitsposition des Fahrzeugs zu entsprechen als die größeren Positionswinkel, die berechnet wurden. Entsprechende Drehgeschwindigkeiten des Fahrzeugs werden gemessen und die jeweiligen Drehpositionswinkel werden durch Integrieren von entsprechenden Drehgeschwindigkeiten mit den jeweiligen Trägheitspositionswinkeln als Anfangswerte bestimmt.
• Aufgabe der Erfindung ist demnach, ein Verfahren zum Bestimmen eines Neigungswinkels eines Fahrzeugs zu schaffen, das die oben erwähnten Nachteile der bisher bekannten Verfahren vermeidet. Insbesondere ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Bestimmen eines Neigungswinkels eines Fahrzeugs zu schaffen, wobei der gemessene Fahrzeugneigungswinkel stabil genug ist für Anwendungen wie beispielsweise eine Echtzeitanzeige von tatsächlichen Fahrzeugwank- und Fahrzeugnickwinkeln. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Bestimmen eines Neigungswinkels eines Fahrzeugs zu schaffen, wobei das Verfahren in der Lage ist die Erdbeschleunigung und die Querbeschleunigung für eine kostengünstige Neigungsmessung bei Automobilanwendungen zu entkoppeln.
• Bei einem Verfahren zum Bestimmen eines Neigungswinkels eines Fahrzeugs wobei durch Messung von Beschleunigungen des Fahrzeugs jeweils in Richtung entlang einer X-Achse, einer Y-Achse und einer Z-Achse, wobei die X-Achse, die Y-Achse und die Z-Achse im wesentlichen jeweils senkrecht zueinander verlaufen, Beschleunigungsmesswerte bereitgestellt werden, wobei ein aktueller Neigungswinkel des Fahrzeugs als Funktion der Beschleunigungsmesswerte berechnet wird und wobei die Größe einer Vektorsumme der Beschleunigungen des Fahrzeugs in Richtung entlang der X-Achse, der Y-Achse und der Z-Achse berechnet wird, wird die oben genannte Aufgabe dadurch gelöst, dass ein kompensierter Neigungswinkel als Funktion des aktuellen, aus den Beschleunigungsmesswerten berechneten Neigungswinkels, mindestens eines vorhergehenden Neigungswinkels und der Größe der Vektorsumme der Beschleunigungen in Richtung entlang der X-Achse, der Y-Achse und der Z-Achse berechnet wird, wobei der mindestens eine vorhergehende Neigungswinkel zum Berechnen des kompensierten Neigungswinkels verwendet wird, wenn die Größe der Vektorsumme der Beschleunigungen in Richtung entlang der X-Achse, der Y-Achse und der Z-Achse sich wesentlich von der Größe der Erdbeschleunigung unterscheidet.
• Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass es in der Lage ist zu bestimmen, ob die aktuelle Sensorinformation ungenau ist, und, falls die aktuelle Sensorinformation ungenau ist, das Verfahren die ungenaue aktuelle Sensorinformation dadurch kompensieren kann, dass sich das Verfahren zumindest zu einem gewissen Grad auf ältere Sensorinformation stützt. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass es für kostengünstige integrierte Anwendungen geeignet ist und dass es keine komplexe Echtzeitberechnung erfordert. Ein weiterer Vorzug des oben definierten Berechnungsverfahrens ist, dass es sehr genaue Neigungsinformation bei statischen Situationen liefert und dass es widerstandsfähig gegenüber dynamischen Störungen ist.
• In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Beschleunigungen des Fahrzeugs in Richtung entlang der X-Achse, der Y-Achse und der Z-Achse so gemessen werden, dass die X-Achse im wesentlichen parallel zur Längsachse des Fahrzeugs verläuft, die Y-Achse im wesentlichen parallel zur Querachse des Fahrzeugs verläuft und die Z-Achse im wesentlichen parallel zur Hochachse des Fahrzeugs verläuft, wobei der aktuelle Neigungswinkel des Fahrzeugs als Funktion der Beschleunigungsmesswerte berechnet wird indem ein aktueller Wankwinkel als Funktion der Beschleunigungen des Fahrzeugs in Richtung entlang der Y-Achse und entlang der Z-Achse berechnet wird und ein aktueller Nickwinkel als eine Funktion der Beschleunigungen des Fahrzeugs in Richtung entlang der X-Achse und entlang der Z-Achse berechnet wird.
• In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der kompensierte Neigungswinkel berechnet wird indem ein kompensierter Wankwinkel und ein kompensierter Nickwinkels berechnet werden, wobei der kompensierte Wankwinkel als Funktion des aktuellen Wankwinkels, mindestens eines vorhergehenden Wankwinkels und der Größe der Vektorsumme der Beschleunigungen in Richtung entlang der X-Achse, der Y-Achse und der Z-Achse berechnet wird und wobei der kompensierte Nickwinkel als Funktion des aktuellen Nickwinkels, mindestens eines vorhergehenden Nickwinkels und der Größe der Vektorsumme der Beschleunigungen in Richtung entlang der X-Achse, der Y-Achse und der Z-Achse berechnet wird.
• In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Änderung eines Wankwinkels und eine Änderung eines Nickwinkels während einer gegebenen Zeitdauer mit Hilfe von Winkelgeschwindigkeitsdaten berechnet werden, die von einem Gyroskop geliefert werden, wobei der kompensierte Wankwinkel als Funktion des aus den Beschleunigungsmesswerten berechneten aktuellen Wankwinkels, mindestens eines vorhergehenden Wankwinkels, der Größe der Vektorsumme der Beschleunigungen in Richtung entlang der X-Achse, der Y-Achse und der Z-Achse und der aus den Winkelgeschwindigkeitsdaten berechneten Änderung des Wankwinkels während der gegebenen Zeitdauer berechnet wird, wobei der mindestens eine vorhergehende Wankwinkel und die Änderung des Wankwinkels während der gegebenen Zeitdauer zum Berechnen des kompensierten Wankwinkels verwendet werden, wenn die Größe der Vektorsumme der Beschleunigungen in Richtungen der X-Achse, der Y-Achse und der Z-Achse sich wesentlich von der Größe der Erdbeschleunigung unterscheidet und wobei der kompensierte Nickwinkel als Funktion des aktuellen, aus den Beschleunigungsmesswerten berechneten Nickwinkels, mindestens eines vorhergehenden Nickwinkels, der Größe der Vektorsumme der Beschleunigungen in Richtung entlang der X-Achse, der Y-Achse und der Z-Achse und der aus den Winkelgeschwindigkeitsdaten berechneten Änderung des Nickwinkels während der gegebenen Zeitdauer berechnet wird, wobei der mindestens eine vorhergehende Nickwinkel und die Änderung des Nickwinkels während der gegebenen Zeitdauer zum Berechnen des kompensierten Nickwinkels verwendet werden, wenn die Größe der Vektorsumme der Beschleunigungen in Richtung der X-Achse, der Y-Achse und der Z-Achse sich wesentlich von der Größe der Erdbeschleunigung unterscheidet.
• Ein Vorteil eine Änderung eines Wankwinkels und eine Änderung eines Nickwinkels durch Verwendung eines Gyroskops zu bestimmen ist, dass das Nachführverhalten des Neigungssensors verbessert wird.
• In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der kompensierte Wankwinkel und der kompensierte Nickwinkel mit Hilfe der folgenden Beziehungen berechnet werden: $$Roll\left(t\right)=Roll\left(t-1\right)\times \left(1-CompensationFactor\right)+YZ\_angle\times \left(CompensationFactor\right)$$

  

  und $$Pitch\left(t\right)=Pitch\left(t-1\right)\times \left(1-CompensationFactor\right)+XZ\_angle\times \left(CompensationFactor\right)$$

  

  wobei Roll(t) den kompensierten Wankwinkel bezeichnet, Pitch(t) den kompensierten Nickwinkel bezeichnet, Roll(t-1) einen vorhergehenden Wankwinkel bezeichnet, Pitch(t-1) einen vorhergehenden Nickwinkel bezeichnet, YZ_angle den aktuellen Wankwinkel bezeichnet, der eine Funktion von Beschleunigungen des Fahrzeugs in Richtung entlang der Y-Achse und entlang der Z-Achse ist, XZ_angle den aktuellen Nickwinkel bezeichnet, der eine Funktion von Beschleunigungen des Fahrzeugs in Richtung entlang der X-Achse und entlang der Z-Achse ist und CompensationFactor einen Kompensationsfaktor bezeichnet, der einen Wert im Bereich zwischen null und eins hat.
• In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Kompensationsfaktors mit Hilfe der folgenden Beziehungen berechnet wird: $$Magnitude=\sqrt{{\left(X\_acceleration\right)}^2+{\left(Y\_acceleration\right)}^2+{\left(Z\_acceleration\right)}^2}$$

  

  und $$CompensationFactor=\frac{1}{1+\left|Magnitude-1\right|}$$

  

  wobei Magnitude die Größe der Vektorsumme der Beschleunigungen in Richtung entlang der X-Achse, der Y-Achse und der Z-Achse bezeichnet, und wobei X_acceleration, Y_acceleration und Z_acceleration jeweils Beschleunigungen entlang der X-Achse, der Y-Achse und der Z-Achse in Vielfachen der Größe der Erdbeschleunigung bezeichnen.
• In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der kompensierte Wankwinkel und der kompensierten Nickwinkel mit Hilfe der folgenden Beziehungen berechnet werden: $$\begin{array}{c}Roll\left(t\right)=\left(Roll\left(t-1\right)+XGyroIntegral\right)\times \left(1-CompensationFactor\right)\\ +YZ\_angle\times \left(CompensationFactor\right)\end{array}$$

  

  und $$\begin{array}{c}Pitch\left(t\right)=\left(Pitch\left(t-1\right)+YGyroIntegral\right)\times \left(1-CompensationFactor\right)\\ +XZ\_angle\times \left(CompensationFactor\right)\end{array}$$

  

  wobei Roll(t) den kompensierten Wankwinkel bezeichnet, Pitch(t) den kompensierten Nickwinkel bezeichnet, Roll(t-1) einen vorhergehenden Wankwinkel bezeichnet, Pitch(t-1) einen vorhergehenden Nickwinkel bezeichnet, YZ_angle den aktuellen Wankwinkel bezeichnet, der eine Funktion von Beschleunigungen des Fahrzeugs in Richtung entlang der Y-Achse und entlang der Z-Achse ist, XZ_angle den aktuellen Nickwinkel bezeichnet, der eine Funktion von Beschleunigungen des Fahrzeugs in Richtung entlang der X-Achse und entlang der Z-Achse ist, XGyrolntegral und YGyrolntegral eine jeweilige Änderung des Wankwinkels und des Nickwinkels während der gegebenen Zeitdauer als Funktion der vom Gyroskop zur Verfügung gestellten Winkelgeschwindigkeitsdaten bezeichnen.
• In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Änderung des Wankwinkels und die Änderung des Nickwinkels während der gegebenen Zeitdauer mit Hilfe der folgenden Beziehungen berechnet werden: $$XGyroIntegral=\left(\frac{XGyroMeasurement\left(t\right)+XGyroMeasurement\left(t-1\right)}{2}\right)\times \mathrm{\Delta }Time$$

  

  und $$YGyroIntegral=\left(\frac{YGyroMeasurement\left(t\right)+YGyroMeasurement\left(t-1\right)}{2}\right)\times \mathrm{\Delta }Time$$

  

  wobei XGyrolntegral die Änderung des Wankwinkels während der gegebenen Zeitdauer ΔTime bezeichnet, YGyrolntegral die Änderung des Nickwinkels während der gegebenen Zeitdauer ΔTime bezeichnet und XGyroMeasurement(t), XGyroMeasurement(t -1), YGyroMeasurement(t) und YGyroMeasurement(t -1) die vom Gyroskop gelieferten Winkelgeschwindigkeitsdaten bezeichnen.
• In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Kompensationsfaktors mit Hilfe der folgenden Beziehungen berechnet wird: $$Magnitude=\sqrt{{\left(X\_acceleration\right)}^2+{\left(Y\_acceleration\right)}^2+{\left(Z\_acceleration\right)}^2}$$

  

  und $$CompensationFactor=\frac{1}{1+\left|Magnitude-1\right|}$$

  

  wobei Magnitude die Größe der Vektorsumme der Beschleunigungen in Richtung entlang der X-Achse, der Y-Achse und der Z-Achse bezeichnet, wobei X_acceleration, Y_acceleration und Z_acceleration jeweilige Beschleunigungen entlang der X-Achse, der Y-Achse und der Z-Achse in Vielfachen der Größe der Erdbeschleunigung bezeichnen.
• In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Neigungswinkelinformation angezeigt wird indem eine Wankwinkelinformation und eine Nickwinkelinformation auf einer Anzeige im Fahrzeug angezeigt werden.
• Der Aufbau und die Funktion des Gegenstandes der Erfindung sowie weitere Aufgaben und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einzelner Ausführungsformen in Kombination mit den Zeichnungen.
• 1 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Fahrzeugs zur Veranschaulichung der Orientierung einer X-Achse, einer Y-Achse, und einer Z-Achse in Bezug auf das Fahrzeug;
• 2 ist eine schematische Darstellung einer im Fahrzeug vorgesehenen Anzeige zum Anzeigen der Nickwinkel- und Wankwinkelinformation gemäß der Erfindung;
• 3 ist ein Blockdiagramm einer beispielhaften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Neigungssensoreinheit;
• 4 ist ein Blockdiagramm einer weiteren beispielhaften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Neigungssensoreinheit;
• 5 ist ein Ablaufdiagramm zur Veranschaulichung von Hauptschritten einer beispielhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
• 6 ist ein Ablaufdiagramm zur Veranschaulichung von Hauptschritten einer weiteren beispielhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
• Im Detail zeigt 1 ein Fahrzeug 10 sowie die Fahrzeug-X-Achse, die Fahrzeug-Y-Achse und die Fahrzeug-Z-Achse, die jeweils senkrecht zueinander stehen. Die X-Achse ist die Längsachse des Fahrzeugs 10. Die Y-Achse ist die Querachse des Fahrzeugs 10, und die Z-Achse ist die Hochachse. Wank-, Nick- und Gierbewegungen sind als Drehungen um die X-Achse, Y-Achse und Z-Achse definiert. Das Fahrzeug 10 hat eine Neigungssensoreinheit 12 zum Bestimmen von Wank- und Nickinformation für das Fahrzeug 10. Die Neigungssensoreinheit 12 ist mit einer Anzeige 14 verbunden, die die Wank- und Nickinformation anzeigt.
• 2 ist eine schematische Darstellung einer Anzeige 14, die im Fahrzeug 10 vorgesehen ist, um dem Fahrer des Fahrzeugs 10 Nickwinkel- und Wankwinkelinformation zu zeigen. Die Anzeige 14 kann in einem Kombiinstrument 15 des Fahrzeugs 10 angeordnet sein. Das Kombiinstrument 15 des Fahrzeugs 10 ist nur schematisch mit einer gestrichelten Linie angedeutet. Zusätzlich zu der Anzeige 14, die Wank- und Nickwinkelinformation liefert, kann das Kombiinstrument 15 einen Tachometer, einen Kilometerzähler und weitere Anzeigen aufweisen, um Information für den Fahrer anzuzeigen. Die Anzeige 14 hat einen Nickwinkelinformationsanzeiger 16 und einen Wankwinkelinformationsanzeiger 18. Der Nickwinkelinformationsanzeiger 16 hat die Form einer kreisförmigen Scheibe und zeigt ein Piktogramm 11 des Fahrzeugs 10 in einer Seitenansicht auf einer Fahroberfläche 20. Entlang des Umfangs des unteren Teils des Nickwinkelinformationsanzeigers 16 befinden sich Nickwinkelanzeigemarken 24. Das Piktogramm 11 des Fahrzeugs 10 auf der Fahroberfläche 20 dreht sich zusammen mit den Nickwinkelanzeigemarken 24 so, dass der Nickwinkel des im Nickwinkelinformationsanzeiger 16 gezeigten Fahrzeugpiktogramms dem Nickwinkel des Fahrzeugs entspricht 10.
• Unterhalb der kreisförmigen Scheibe ist ein feststehendes Anzeigedreieck 26 zum Anzeigen eines Nickwinkels. Unterhalb des Anzeigedreiecks 26 gibt es eine numerische Anzeige 28, die den Nickwinkel in Grad anzeigt. Der Wankwinkelinformationsanzeiger 18 ist als eine kreisförmige Scheibe dargestellt mit einem Piktogramm 31 des Fahrzeugs 10 auf einer Fahroberfläche 20. Entlang des Umfangs des unteren Teils des Wankinformationsanzeigers 18 gibt es Wankwinkelanzeigemarken 44. Das Piktogramm 31 des Fahrzeugs 10 auf der Fahroberfläche 20 dreht sich zusammen mit den Wankwinkelanzeigemarken 44 so, dass der Wankwinkel des im Wankwinkelinformationsanzeiger 18 gezeigten Fahrzeugpiktogramms 31 dem Wankwinkel des Fahrzeugs 10 entspricht. Unterhalb der kreisförmigen Scheibe ist ein feststehendes Anzeigedreieck 46 zum Anzeigen eines Wankwinkels. Unter dem Anzeigedreieck 46 befindet sich eine numerische Anzeige 48, die den Wankwinkel in Grad anzeigt.
• 3 zeigt ein Blockdiagramm einer beispielhaften Ausführungsform einer Neigungssensoreinheit 12 gemäß der Erfindung. Die in 3 gezeigte Neigungssensoreinheit 12 arbeitet als ein größenkompensierter Neigungssensor, wie im Folgenden genauer beschrieben wird. Die Neigungssensoreinheit 12 umfasst einen dreiachsigen Neigungssensor 50 als ein Meßelement. Der dreiachsige Neigungssensor 50 ist zum Beispiel ein als Einzelchip ausgeführter dreiachsiger Beschleunigungsmesser. Ein Beispiel für einen derartigen dreiachsigen Beschleunigungsmesser ist der von der Firma Analoge Devices, Inc. hergestellte Beschleunigungsmesschip ADXL330. Der ADXL330 Chip ist eine dreiachsige Beschleunigungsmessvorrichtung, die als Ausgangssignale analoge elektrische Spannungen liefert, die proportional zu den gemessenen Beschleunigungen sind. Der Beschleunigungsmesschip 50 kann die durch die Schwerkraft bedingte statische Beschleunigung sowie die dynamischen Beschleunigungen, die sich aus Bewegungen, Stößen oder Vibrationen ergeben, messen. Der dreiachsige Neigungssensor 50 liefert analoge elektrische Spannungen, die proportional zu den gemessenen Beschleunigungen entlang des X-Achse, der Y-Achse und der Z-Achse sind. Wenn das Fahrzeug 10 ruhig auf einer ebenen, d.h. horizontalen Oberfläche steht, würde der dreiachsige Neigungssensor 50 beispielsweise ein Ausgangssignal liefern, das anzeigt, dass es eine Beschleunigung der Größe 1 g (Erdbeschleunigung) in einer Richtung parallel zur Z-Achse gibt.
• Die Neigungssensoreinheit 12 umfasst weiterhin einen Mikrocontroller 52, der mit dem dreiachsigen Neigungssensor 50 so verbunden ist, dass die analogen Ausgangsspannungen des dreiachsigen Neigungssensors 50 direkt einem Analog-Digital-Wandlersystem zugeführt werden, das vorzugsweise im Mikrocontrollers 52 integriert ist. Der Mikrocontroller 52 ist zum Beispiel ein von der Firma Silicon Laboratories, Inc. hergestellter C8051F040 Mikrocontroller. Der C8051F040 Mikrocontroller weist ein 12-Bit Analog-Digital-Wandlersystem auf, um die analogen Ausgangsspannungen des dreiachsigen Neigungssensor 50 in digitale Signale umzuwandeln, die dann vom Mikrocontroller 52 verarbeitet werden. Der Mikrocontroller 52 wird in der Programmiersprache C programmiert, um die unten beschriebenen Gleichungen auszuführen und um größenkompensierte Werte für Wank- und Nickwinkel auszugeben. Die größenkompensierten Wank- und Nickwinkelwerte können dazu verwendet werden, um Wank- und Nickwinkelinformation in Echtzeit auf der Anzeige 14 anzuzeigen.
• Der dreiachsige Neigungssensor 50 ist ein Neigungsmesselement, das in der Lage ist, den Wank- und Nickwinkel seiner Montageberfläche anzugeben. Abhängig von der Ausrichtung der Montageoberfläche sind die X-Achse, die Y-Achse und die Z-Achse des Neigungssensors 50 unter Umständen nicht nach der X-Achse, der Y-Achse und der Z-Achse des Fahrzeugs 10 ausgerichtet. Eine derartige mechanische Fehlausrichtung kann mit einem Kalibrierungsschritt korrigiert werden. Der Neigungssensor 50 kann so kalibriert werden, dass er in einer beliebigen Montageausrichtung einen Nick- und Wankwinkel von 0° angibt. Dieser Kalibrierungsschritt ist eine Achsentransformation von den relativen X-, Y-, Z-Richtungen der Ausrichtung des Neigungssensors auf die X-, Y- und Z-Achsen des Fahrzeugs 10. Der Kalibrierungsschritt stellt auf diese Weise sicher, dass der Neigungssensor Nickwinkel- und Wankwinkelinformation relativ zur Richtung der Erdbeschleunigung anstatt relativ zur Ausrichtung der Montageoberfläche liefert. Der Neigungssensor 50 und die Steuerelektronik einschließlich des Mikrocontrollers 52 können vorteilhafterweise mit Hilfe eines automatisierten Prozesses konstruiert und hergestellt werden, wobei Herstellungsverfahren Verwendung finden, die in der Elektronik üblich sind. Der oben erwähnte Kalibrierungsschritt wird vorzugsweise an der hergestellten Neigungssensoreinheit 12 ausgeführt, um die Genauigkeit der Neigungssensoreinheit 12 zu überprüfen. Da der Neigungssensor 50 mit dem Mikrocontroller zusammenarbeitet, können Anomalien oder Maßabweichungen, die während der Produktion auftreten, in vorteilhafter Weise durch Programmierungsänderungen repariert werden.
• Für das Hauptmesselement des Neigungssensors 50 wird vorzugsweise eine MEMS Technologie zur Integration der Beschleunigungssensoren und der elektronischen Schaltungen auf einem gemeinsamen Siliziumsubstrat verwendet. Das Messelement und die Steuerelektronik können in einem automatisierten Prozess konstruiert und hergestellt werden, wobei Herstellungsverfahren Verwendung finden, die in der Elektronik üblich sind.
• Die in 3 gezeigte Neigungssensoreinheit 12 arbeitet als ein größenkompensierter Neigungssensor. Um die Größenkompensation durchzuführen, benötigt das Verfahren zur Verarbeitung der Neigungswinkel, d.h. der Wank- und Nickwinkel, eine gemessene Größe der Beschleunigungswirkungen in Richtung der X-, Y- und Z-Achse. Um die Größe der Beschleunigung in Richtung der X-, Y- und Z-Achse zu messen, kann ein als Einzelchip ausgeführter dreiachsiger Beschleunigungsmesser, wie zum Beispiel der dreiachsige Neigungssensor 50 verwendet werden. Alternativ kann eine Kombination von zweiachsigen oder einachsigen Beschleunigungsmessern benutzt werden, die so montiert sind, dass sie in der Lage sind Beschleunigungen in Richtung der orthogonalen X-, Y- und Z- Achsen zu messen. In der in 3. gezeigten Ausführungsform werden die vom dreiachsigen Neigungssensor 50 erzeugten Sensordaten dann dem Mikrocontroller 52 zugeführt, um das im Folgenden beschriebene Verfahren zur Größenkompensation durchzuführen. Der in der beispielhaften Ausführungsform der Erfindung verwendete Mikrocontroller 52 kann durch jeden Computer oder Rechnereinheit ersetzt werden, die die Verfahrensschritte zum Berechnen von größenkompensierten Neigungswinkeln ausführen kann.
• Für die folgenden Gleichungen wird angenommen, dass die Sensorrohdaten bzw. Sensorausgangsdaten des dreiachsigen Neigungssensor 50 auf die Erdbeschleunigung normiert sind, sodass die Beschleunigungen in Richtung der X-, Y- und Z-Achse, nämlich die Werte für die Variablen X_acceleration, Y_acceleration und Z_acceleration Vielfache oder Bruchteile der Erdbeschleunigung g sind, wobei g etwa 9,81 m/sec² beträgt. Die Sensorrohdaten können verarbeitet werden, um die gemessenen Wank- und Nickwinkel der Neigungssensoreinheit 12 in einem unkompensierten Format zu berechnen, wie in den folgenden Gleichungen ausgedrückt ist: $$Roll=YZ\_angle=atan2\left(Y\_acceleration,Z\_acceleration\right)\times \frac{360}{2\pi }$$

  

  $$Pitch=XZ\_angle=atan2\left(X\_acceleration,Z\_acceleration\right)\times \frac{360}{2\pi }$$

  
• In den obigen Gleichungen (1) und (2) bezeichnen die Variablen Roll und YZ_angle den Wankwinkel um die X-Achse und die Variablen Pitch und XZ_angle bezeichnen den Nickwinkel um die Y-Achse. Die Variablen X_acceleration, Y_acceleration und Z_acceleration bezeichnen die Beschleunigungen jeweils in Bezug auf die X-, Y- und Z-Achse in Vielfachen der Erdbeschleunigung g. Die Funktion atan2 ist die Funktion mit zwei Parametern zum Berechnen des Arkustangens bei Programmiersprachen wie beispielsweise der Programmiersprache C.
• Die Größe (Vektorlänge) der gemessenen Beschleunigung der unkompensierten, vom dreiachsigen Neigungssensor 50 gemessenen Beschleunigungen ist die Vektorensumme der Beschleunigungen in Richtung der X-, Y- und Z-Achse wie sie in der unten aufführten Gleichung (3) ausgedrückt ist. $$Magnitude=\sqrt{{\left(X\_acceleration\right)}^2+{\left(Y\_acceleration\right)}^2+{\left(Z\_acceleration\right)}^2}$$

  
• Das Größe des Kraftvektors, ohne externe Beschleunigungen, wäre aufgrund der Erdbeschleunigung 1 g, d.h. 9.81 m/sec². Wenn eine externe Kraft auf den Sensor wirkt, ändert sich aufgrund der Überlagerung die Größe des gemessenen resultierenden Vektors. Diese Änderung der Größe wie sie in Gleichung (4) definiert ist, kann dann zum Einführen einer Kompensation verfolgt werden. $$\mathrm{\Delta }Magnitude=\left|Magnitude-1\right|$$

  
• Wenn die Größe der Beschleunigung von der Erdbeschleunigung (1 g) abweicht, wird angenommen, dass eine externe Kraft auf den dreiachsigen Neigungssensor 50 wirkt. Die externe Kraft kann verursacht werden durch Fahrzeugmanöver, Vibrationen oder durch Querbeschleunigungen oder Zentrifugalbeschleunigungen. Wenn derartige externe Kräfte auftreten, kann man davon ausgehen, dass die Sensordaten bezüglich einer Bestimmung des Neigungswinkels ungenau sind. Ein Neigungswinkel kann in der Form eines Wankwinkels oder eines Nickwinkels oder einer Kombination eines Wankwinkels und eines Nickwinkels auftreten. Falls derartige externe Kräfte auf den dreiachsigen Neigungssensor 50 wirken, bleiben die aktuellen Sensordaten vorzugsweise zugunsten der letzten bekannten genauen Werte unberücksichtigt. Zu diesem Zweck wird ein Kompensationsfaktor eingeführt. In einer beispielhaften Ausführungsform ist der Kompensationsfaktor eine Zahl mit einem Wert von weniger als 1, wobei der Wert mit zunehmender Abweichung der Größe abnimmt. In dieser beispielhaften Ausführungsform kann der Kompensationsfaktor durch die folgende Gleichung (5) ausgedrückt werden. $$CompensationFactor=\frac{1}{1+\mathrm{\Delta }Magnitude}$$

  
• Wie oben erwähnt, ist der in Gleichung (5) definierte Kompensationsfaktor CompensationFactor nur ein Beispiel und ist nicht der einzige Kompensationsfaktor, der die oben erwähnten Kriterien erfüllt. Das allgemeine Konzept, einen Kompensationsfaktor zu verwenden, beruht darauf, dass man sich im Fall einer Änderung in der Größe des gemessenen Gravitationsvektors auf alte Sensordaten stützt. Der zeitliche Verlauf des Wankwinkels Roll(t) und des Nickwinkels Pitch(t) lässt sich dann mit den folgenden Gleichungen (6) und (7) berechnen. $$Roll\left(t\right)=Roll\left(t-1\right)\times \left(1-CompensationFactor\right)+YZ\_angle\times \left(CompensationFactor\right)$$

  

  $$Pitch\left(t\right)=Pitch\left(t-1\right)\times \left(1-CompensationFactor\right)+XZ\_angle\times \left(CompensationFactor\right)$$

  
• Die Ergebnisse für die Variablen Roll(t) und Pitch(t) sind die größenkompensierten Wank- und Nickwinkelwerte des dreiachsigen Neigungssensors 50. Die Berechnung der Kompensation, wie sie mit den obigen Gleichungen definiert wird, liefert die letzten bekannten genauen Sensorwerte im Fall einer Störung, was im Fall einer Störung das gewünschte Ergebnis ist.
• Das oben definierte Berechnungsverfahren ist für kostengünstige integrierte Anwendungen geeignet, da es keine komplexe Berechnung in Echtzeit erfordert. Ein Vorteil des Verfahrens, größenkompensierte Wankwinkel- und Nickwinkelwerte auf die beschriebene Art zu erzeugen, sind deshalb die niedrigen Kosten im Vergleich zu gyroskopisch kompensierten dynamischen Neigungssensoren. Ein weiterer Vorteil des Verfahrens, größenkompensierte Wank- und Nickwinkelwerte zu liefern, ist seine Fähigkeit, ungenaue bzw. unrichtige Sensorinformation zu erkennen und eine Kompensation einzuführen. Ein anderer Vorteil des oben definierten Berechnungsverfahrens ist seine hohe Genauigkeit und Präzision in statischen Situationen und seine Widerstandsfähigkeit gegenüber dynamischen Störungen. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass das Verfahren zum Bereitstellen von größenkompensierten Wank- und Nickwinkelwerten in der oben beschriebenen Art und Weise die Einführung einer dynamischen Kompensation bei kostengünstigen Neigungssensorvorrichtungen ermöglicht. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird ein kostengünstiger Neigungssensor in Kombination mit einem Größenkompensationsverfahren zum Berechnen von Wank- und Nickwinkeln für Echtzeitautomobilanwendungen benutzt.
• Die oben beschriebene Neigungssensoreinheit 12, wie sie in 3 gezeigt ist, und das entsprechende Verfahren für die Größenkompensation führen zu einem genauen Schätzwert für die Neigung. Wenn der Sensor jedoch Beschleunigungen erfährt, die von 1 g abweichen, liefert die Neigungssensoreinheit 12 ein Ergebnis, das den letztbekannten genauen Wert verwendet anstatt ungenaue Daten zu übertragen. Das Nachführverhalten der größenkompensierten Neigungssensoreinheit 12, wie sie in 3 gezeigt ist, kann weiter verbessert werden durch das Hinzufügen einer Gyroskopstabilisierung. 4 zeigt ein Blockdiagramm einer beispielhaften Ausführungsform einer Neigungssensoreinheit 12 mit einer zusätzlichen Gyroskopstabilisierung gemäß der Erfindung. Ein Gyroskop ist eine Vorrichtung, die eine Winkelgeschwindigkeit oder Drehung misst. Durch Integrieren einer Winkelgeschwindigkeit kann der vom Neigungssensor durchlaufene Winkel gemessen werden. Ein derartiges Verfahren zur Integration einer Winkelgeschwindigkeit ist genau, allerdings unterliegt es im Lauf der Zeit einer Drift, die die gyroskopische Sensorausgabe unzuverlässig werden lässt, wenn kein fester Bezugspunkt vorhanden ist. Ein derartiger fester Bezugspunkt kann mit dem mit Bezug auf die Gleichungen (1) bis (7) oben beschriebenen größenkompensierten Neigungsmessverfahren bereitgestellt werden.
• Die in 4 gezeigte Neigungssensoreinheit 12 umfasst einen dreiachsigen Neigungssensor 50. Genau wie in der in 3. gezeigten Ausführungsform, ist der dreiachsige Neigungssensor 50 in 4 beispielsweise ein als Einzelchip ausgeführter dreiachsiger Beschleunigungsmesser wie der von der Firma Analog Devices, Inc. hergestellte Beschleunigungsmesschip ADXL330. Der dreiachsige Neigungssensor 50 gibt analoge elektrische Spannungen aus, die proportional sind zu gemessenen Beschleunigungen in den Richtungen entlang der X-, Y- und Z-Achse. Die Neigungssensoreinheit 12 in 4 umfasst weiterhin einen Mikrocontroller 52, der so mit dem dreiachsigen Neigungssensor 50 verbunden ist, dass die analogen Ausgangsspannungen des dreiachsigen Neigungssensors 50 direkt einem Analog-Digital-Wandlersystem zugeführt werden, das vorzugsweise im Mikrocontrollers 52 eingebaut ist. Der Mikrocontroller 52 ist zum Beispiel ein von der Firma Silicon Laboratories, Inc. hergestellter C8051F040 Mikrocontroller. Der C8051 F040 Mikrocontroller umfasst ein 12-Bit Analog-Digital-Wandlersystem, um die analogen Ausgangsspannungen des dreiachsigen Neigungssensor 50 in digitale Signale umzuwandeln, um dann vom Mikrocontroller 52 verarbeitet zu werden. Die Neigungssensoreinheit 12 umfasst weiterhin ein zweiachsiges Gyroskop 54, das mit dem Mikrocontroller 52 verbunden ist. Das zweiachsige Gyroskop 54 liefert Winkelgeschwindigkeitsdaten für eine Drehung um die X-Achse und Winkelgeschwindigkeitsdaten für eine Drehung um die Y-Achse. Die Ausgabe des zweiachsigen Gyroskops 54 liefert zum Beispiel elektrische Spannungen, die proportional zu den Winkelgeschwindigkeiten der Drehung um die X-Achse und die Y-Achse sind. Diese Ausgangsspannungen werden dann von einem Analog-Digital-Wandlersystem im Mikrocontroller 52 in ein digitales Signal umgewandelt. Alternativ kann das zweiachsige Gyroskop 54 einen Analog-Digital Wandler umfassen und die Winkelgeschwindigkeiten in der Form eines digitalen Signals liefern.
• Wie oben mit Bezug auf 3. beschrieben ist, ist der dreiachsige Neigungssensor in der Lage die Wank- und Nickwinkel seiner Montageoberfläche zu liefern. Der Neigungssensor 50 ist so kalibriert, dass er einen Wank- und Nickwinkel von 0° liefert, wenn er in seiner Montageausrichtung positioniert ist. Dieser Kalibrierungsschritt ist eine Achsentransformation von der relativen X-, Y- und Z-Richtung der Ausrichtung des Neigungssensors auf die X-, Y- und Z-Achse des Fahrzeugs 10. Der Kalibrierungsschritt stellt sicher, dass der Neigungssensor Nick- und Wankwinkelinformation relativ zur Richtung der Erdbeschleunigung anstatt relativ zur Ausrichtung der Montageoberfläche liefert. Der Kalibrierungsschritt wird vorzugsweise an der hergestellten Neigungssensoreinheit 12 ausgeführt, um die Genauigkeit der Neigungssensoreinheit 12 zu überprüfen. Zusätzlich zu dem Kalibrierungsschritt wird eine Korrektur von Unregelmäßigkeiten oder Maßabweichungen vorzugsweise durch Programmierungsänderungen durchgeführt.
• Anwendungen auf die oben beschriebenen Neigungssensoreinheiten umfassen Überschlagdetektion für Fahrzeuge, Erweiterung der Navigationsinformation mit einer Anzeige von Fahrzeugwank- und Nickwinkeln, Bergab-/Bergauffahrsteuerung mit elektronischem Bremsen, Niveauregelungsrückkopplung, Hilfestellung bei der Modulation der Kraft der Feststellbremse, Diebstahlschutzsysteme, Fahrzeugstabilitätsinformation, Schwingungsdetektion, statische Neigungsmessung mit hoher Genauigkeit, Detektion des Straßengefälles für Sicherheitselektroniksysteme. Weitere Anwendungen für die oben beschriebenen größenkompensierten Neigungssensoren umfassen eine Echtzeitanzeige der Wank- und Neigungsinformation in einem Fahrzeug, womit es dem Fahrer ermöglicht wird seinen Kenntnisstand über den Zustand des Fahrzeugs zu verbessern und womit ein brauchbares Maßsystem für Geländefahrzeugenthusiasten zur Verfügung gestellt wird.
• Das Verfahren zum Betreiben der in 4 gezeigten Neigungssensoreinheit wird im Folgenden erklärt. Die Gyroskopdaten können durch Messen einer Zeitdauer ΔTime numerisch verwendet werden, wobei die Zeitdauer von der Echtzeituhr des Mikrocontrollers 52 berechnet werden kann. Durch Messen der Zeit und des Momentanwerts der Gyroskopdaten kann die Änderung des Neigungswinkel über eine Zeitdauer mit den folgenden Gleichungen berechnet werden. $$\begin{array}{l}\mathrm{\Delta }Roll\left(t\right)=\\ XGyroIntegral=\left(\frac{XGyroMeasurement\left(t\right)+XGyroMeasurement\left(t-1\right)}{2}\right)\times \mathrm{\Delta }Time\end{array}$$

  

  $$\begin{array}{l}\mathrm{\Delta }Pitch\left(t\right)=\\ YGyroIntegral=\left(\frac{YGyroMeasurement\left(t\right)+YGyroMeasurement\left(t-1\right)}{2}\right)\times \mathrm{\Delta }Time\end{array}$$

  
• In den obigen Gleichungen bezeichnen ΔRoll(t) and XGyrolntegral eine Änderung im Wankwinkel während eines Zeitintervalls ΔTime. XGyroMeasurement(t) und XGyroMeasurement(t-1) sind die Gyroskopmessdaten zur Zeit t beziehungsweise zur Zeit t-1 für eine Wankbewegung um die X-Achse des Fahrzeugs 10. ΔPitch(t) und YGyrolntegral bezeichnen eine Änderung im Nickwinkel während eines Zeitintervalls ΔTime. YGyroMeasurement(t) und YGyroMeasurement(t -1) sind die Gyroskopmessdaten zum Zeitpunkt t beziehungsweise zum Zeitpunkt t-1 für eine Nickbewegung um die Y-Achse des Fahrzeugs 10.
• Die gemessenen Änderungen bei den Wank- und Nickwinkelwerten, wie sie in Gleichung (8) und (9) definiert sind, können in die abschließende Berechnung einbezogen werden, indem der Wert, auf den die Neigungssensoreinheit 12 bei einer ungenauen Beschleunigungsmesserinformation zurückgreift, aktualisiert wird. Die resultierenden, gyroskopisch stabilisierten Größenkompensationsgleichungen sind auf folgende Weise definiert: $$\begin{array}{c}Roll\left(t\right)=\left(Roll\left(t-1\right)+XGyroIntegral\right)\times \left(1-CompensationFactor\right)\\ +YZ\_angle\times \left(CompensationFactor\right)\end{array}$$

  

  $$\begin{array}{c}Pitch\left(t\right)=\left(Pitch\left(t-1\right)+YGyroIntegral\right)\times \left(1-CompensationFactor\right)\\ +XZ\_angle\times \left(CompensationFactor\right)\end{array}$$

  
• Das Ergebnis der obigen gyroskopisch stabilisierten Größenkompensationsgleichungen (10) und (11) ist eine genaue Schätzung von tatsächlichen Sensorwank- und Nickwinkeln, die mit der Erdbeschleunigung als Referenz gemessen wurden. Das oben beschriebene Verfahren verwendet einen sehr genauen Beschleunigungsmesser in der Form des dreiachsigen Neigungssensors 50. Wenn die Beschleunigungsmessungen des dreiachsigen Neigungssensors 50 eine Messung liefern, die von Querbeschleunigungen oder Zentrifugalbeschleunigungen beeinflusst wird, verwendet die in 4 gezeigte Neigungssensoreinheit 12 die vom zweiachsigen Gyroskop 54 erzeugten Gyroskopdaten und aktualisiert die Ausgabe ständig in Abhängigkeit von den Gyroskopdaten.
• 5 ist ein Ablaufdiagramm, das Hauptschritte einer beispielhaften Ausführungsform des Verfahrens gemäß der Erfindung erläutert. Die Reihenfolge der in 5 und 6 gezeigten Schritte ist nur beispielhaft, da die Berechnungsschritte in einer anderen Reihenfolge ausgeführt werden können und mindestens einige der Berechnungsschritte im Wesentlichen gleichzeitig ausgeführt werden könnten. In Schritt 60 werden mit dem dreiachsigen Neigungssensor 50 Beschleunigungen des Fahrzeugs 10 in den Richtungen entlang der X-Achse, der Y-Achse und der Z-Achse gemessen. In Schritt 62 werden nach Maßgabe der Gleichungen (1) und (2) ein aktueller Wankwinkel und ein aktueller Nickwinkel des Fahrzeugs 10 als Funktion der gemessenen Beschleunigungen berechnet. In Schritt 64 wird gemäß Gleichung (3) die Größe der Vektorsumme der Beschleunigungen des Fahrzeugs 10 in den Richtungen entlang der X-Achse, der Y-Achse und der Z-Achse berechnet. In Schritt 66 wird gemäß Gleichung (6) der größenkompensierte Wankwinkel als Funktion des aktuellen Wankwinkels, eines vorhergehenden Wankwinkels und der Größe der Vektorsumme der gemessenen Beschleunigungen in den Richtungen entlang der X-Achse, der Y-Achse und der Z-Achse berechnet. In Schritt 68 wird gemäß Gleichung (7) der größenkompensierte Nickwinkel als Funktion des aktuellen Nickwinkels, eines vorhergehenden Nickwinkels und der Größe der Vektorsumme der gemessenen Beschleunigungen in den Richtungen entlang der X-Achse, der Y-Achse und der Z-Achse berechnet.
• 6 ist ein Ablaufdiagramm, das Hauptschritte einer weiteren beispielhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert. In Schritt 70 werden mit Hilfe des dreiachsigen Neigungssensors 50 Beschleunigungen des Fahrzeugs 10 in Richtung entlang einer X-Achse, einer Y-Achse und einer Z-Achse gemessen. In Schritt 72 werden mit dem zweiachsigen Achsengyroskop 54 Winkelgeschwindigkeiten gemessen. In Schritt 74 werden nach Maßgabe der Gleichungen (1) und (2) ein aktueller Wankwinkel und ein aktueller Nickwinkel des Fahrzeugs als Funktion der gemessenen Beschleunigungen berechnet. In Schritt 76 werden nach Maßgabe der Gleichungen (8) und (9), unter Verwendung der Winkelgeschwindigkeitsdaten des zweiachsigen Gyroskops 54, eine Änderung im Wankwinkel und eine Änderung im Nickwinkel während einer gegebenen Zeitdauer berechnet. In Schritt 78 wird gemäß Gleichung (3) die Größe der Vektorsumme der Beschleunigungen des Fahrzeugs 10 in den Richtungen entlang der X-Achse, der Y-Achse und der Z-Achse berechnet. In Schritt 80 wird entsprechend Gleichung (10) der gyroskopisch stabilisierte, größenkompensierte Wankwinkel berechnet, wobei dieser Wankwinkel berechnet wird als Funktion des aktuellen Wankwinkels, der aus den Beschleunigungsmesswerten berechnet wird, eines vorhergehenden Wankwinkels, der Größe der Vektorsumme der Beschleunigungen in den Richtungen entlang der X-Achse, der Y-Achse und der Z-Achse und der Änderung im Wankwinkel über die gegebene Zeitdauer, die aus den Winkelgeschwindigkeitsdaten berechnet wird In Schritt 82 wird gemäß Gleichung (11) der gyroskopisch stabilisierte, größenkompensierte Nickwinkel berechnet, wobei dieser Nickwinkel berechnet wird als Funktion des aktuellen, aus den Beschleunigungsmesswerten berechneten Nickwinkels, eines vorhergehenden Nickwinkels, der Größe der Vektorsumme der Beschleunigungen in Richtungen entlang der X-Achse, der Y-Achse und der Z-Achse und der Änderung des Nickwinkels während der gegebenen Zeitdauer, die aus den Winkelgeschwindigkeitsdaten berechnet wird.
• Bezugszeichenliste

10

Fahrzeug

11

Piktogramm des Fahrzeugs

12

Neigungssensoreinheit

14

Anzeige

15

Kombiinstrument

16

Nickwinkelinformationsanzeiger

18

Wankwinkelinformationsanzeiger

20

Fahroberfläche

24

Nickwinkelanzeigemarken

26

Anzeigedreieck

28

numerische Anzeige des Nickwinkels

31

Piktogramm des Fahrzeugs

44

Wankwinkelanzeigemarken

46

Anzeigedreieck

48

numerische Anzeige des Wankwinkels

50

Neigungssensor

52

Mikrocontroller

54

zweiachsiges Gyroskop

60, 62, 64, 66

Verfahrensschritte

68, 70, 72, 74

Verfahrensschritte

76, 78, 80, 82

Verfahrensschritte

Claims (10)

1. Verfahren zum Bestimmen eines Neigungswinkels eines Fahrzeugs wobei durch Messung von Beschleunigungen des Fahrzeugs jeweils in Richtung entlang einer X-Achse, einer Y-Achse und einer Z-Achse, wobei die X-Achse, die Y-Achse und die Z-Achse im wesentlichen jeweils senkrecht zueinander verlaufen, Beschleunigungsmesswerte bereitgestellt werden, wobei ein aktueller Neigungswinkel des Fahrzeugs als Funktion der Beschleunigungsmesswerte berechnet wird, wobei die Größe einer Vektorsumme der Beschleunigungen des Fahrzeugs in Richtung entlang der X-Achse, der Y-Achse und der Z-Achse berechnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein kompensierter Neigungswinkel als Funktion des aktuellen, aus den Beschleunigungsmesswerten berechneten Neigungswinkels, mindestens eines vorhergehenden Neigungswinkels und der Größe der Vektorsumme der Beschleunigungen in Richtung entlang der X-Achse, der Y-Achse und der Z-Achse berechnet wird, wobei der mindestens eine vorhergehende Neigungswinkel zum Berechnen des kompensierten Neigungswinkels verwendet wird, wenn die Größe der Vektorsumme der Beschleunigungen in Richtung entlang der X-Achse, der Y-Achse und der Z-Achse sich wesentlich von der Größe der Erdbeschleunigung unterscheidet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschleunigungen des Fahrzeugs in Richtung entlang der X-Achse, der Y-Achse und der Z-Achse so gemessen werden, dass die X-Achse im wesentlichen parallel zur Längsachse des Fahrzeugs verläuft, die Y-Achse im wesentlichen parallel zur Querachse des Fahrzeugs verläuft und die Z-Achse im wesentlichen parallel zur Hochachse des Fahrzeugs verläuft, wobei der aktuelle Neigungswinkel des Fahrzeugs als Funktion der Beschleunigungsmesswerte berechnet wird indem ein aktueller Wankwinkel als Funktion der Beschleunigungen des Fahrzeugs in Richtung entlang der Y-Achse und entlang der Z-Achse berechnet wird und ein aktueller Nickwinkel als eine Funktion der Beschleunigungen des Fahrzeugs in Richtung entlang der X-Achse und entlang der Z-Achse berechnet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der kompensierte Neigungswinkel berechnet wird indem ein kompensierter Wankwinkel und ein kompensierter Nickwinkel berechnet werden, wobei der kompensierte Wankwinkel als Funktion des aktuellen Wankwinkels, mindestens eines vorhergehenden Wankwinkels und der Größe der Vektorsumme der Beschleunigungen in Richtung entlang der X-Achse, der Y-Achse und der Z-Achse berechnet wird und wobei der kompensierte Nickwinkel als Funktion des aktuellen Nickwinkels, mindestens eines vorhergehenden Nickwinkels und der Größe der Vektorsumme der Beschleunigungen in Richtung entlang der X-Achse, der Y-Achse und der Z-Achse berechnet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Änderung eines Wankwinkels und eine Änderung eines Nickwinkels während einer gegebenen Zeitdauer mit Hilfe von Winkelgeschwindigkeitsdaten berechnet werden, die von einem Gyroskop geliefert werden, wobei der kompensierte Wankwinkel als Funktion des aus den Beschleunigungsmesswerten berechneten aktuellen Wankwinkels, mindestens eines vorhergehenden Wankwinkels, der Größe der Vektorsumme der Beschleunigungen in Richtung entlang der X-Achse, der Y-Achse und der Z-Achse und der aus den Winkelgeschwindigkeitsdaten berechneten Änderung des Wankwinkels während der gegebenen Zeitdauer berechnet wird, wobei der mindestens eine vorhergehende Wankwinkel und die Änderung des Wankwinkels während der gegebenen Zeitdauer zum Berechnen des kompensierten Wankwinkels verwendet werden, wenn die Größe der Vektorsumme der Beschleunigungen in Richtungen der X-Achse, der Y-Achse und der Z-Achse sich wesentlich von der Größe der Erdbeschleunigung unterscheidet und wobei der kompensierte Nickwinkel als Funktion des aktuellen, aus den Beschleunigungsmesswerten berechneten Nickwinkels, mindestens eines vorhergehenden Nickwinkels, der Größe der Vektorsumme der Beschleunigungen in Richtung entlang der X-Achse, der Y-Achse und der Z-Achse und der aus den Winkelgeschwindigkeitsdaten berechneten Änderung des Nickwinkels während der gegebenen Zeitdauer berechnet wird, wobei der mindestens eine vorhergehende Nickwinkel und die Änderung des Nickwinkels während der gegebenen Zeitdauer zum Berechnen des kompensierten Nickwinkels verwendet werden, wenn die Größe der Vektorsumme der Beschleunigungen in Richtung der X-Achse, der Y-Achse und der Z-Achse sich wesentlich von der Größe der Erdbeschleunigung unterscheidet.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der kompensierte Wankwinkel und der kompensierte Nickwinkel mit Hilfe der folgenden Beziehungen berechnet werden: $$Roll\left(t\right)=Roll\left(t-1\right)\times \left(1-CompensationFactor\right)+YZ\_angle\times \left(CompensationFactor\right)$$

   

   und $$Pitch\left(t\right)=Pitch\left(t-1\right)\times \left(1-CompensationFactor\right)+XZ\_angle\times \left(CompensationFactor\right)$$

   

   wobei Roll(t) den kompensierten Wankwinkel bezeichnet, Pitch(t) den kompensierten Nickwinkel bezeichnet, Roll(t-1) einen vorhergehenden Wankwinkel bezeichnet, Pitch(t-1) einen vorhergehenden Nickwinkel bezeichnet, YZ_angle den aktuellen Wankwinkel bezeichnet, der eine Funktion von Beschleunigungen des Fahrzeugs in Richtung entlang der Y-Achse und entlang der Z-Achse ist, XZ_angle den aktuellen Nickwinkel bezeichnet, der eine Funktion von Beschleunigungen des Fahrzeugs in Richtung entlang der X-Achse und entlang der Z-Achse ist, und CompensationFactor einen Kompensationsfaktor bezeichnet, der einen Wert im Bereich zwischen null und eins hat.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompensationsfaktor mit Hilfe der folgenden Beziehungen berechnet wird: $$Magnitude=\sqrt{{\left(X\_acceleration\right)}^2+{\left(Y\_acceleration\right)}^2+{\left(Z\_acceleration\right)}^2}$$

   

   und $$CompensationFactor=\frac{1}{1+\left|Magnitude-1\right|}$$

   

   wobei Magnitude die Größe der Vektorsumme der Beschleunigungen in Richtung entlang der X-Achse, der Y-Achse und der Z-Achse bezeichnet, und wobei X_acceleration, Y_acceleration und Z_acceleration jeweils Beschleunigungen entlang der X-Achse, der Y-Achse und der Z-Achse in Vielfachen der Größe der Erdbeschleunigung bezeichnen.
7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der kompensierte Wankwinkel und der kompensierten Nickwinkel mit Hilfe der folgenden Beziehungen berechnet werden: $$\begin{array}{c}Roll\left(t\right)=\left(Roll\left(t-1\right)+XGyroIntegral\right)\times \left(1-CompensationFactor\right)\\ +YZ\_angle\times \left(CompensationFactor\right)\end{array}$$

   

   und $$\begin{array}{c}Pitch\left(t\right)=\left(Pitch\left(t-1\right)+YGyroIntegral\right)\times \left(1-CompensationFactor\right)\\ +XZ\_angle\times \left(CompensationFactor\right)\end{array}$$

   

   wobei Roll(t) den kompensierten Wankwinkel bezeichnet, Pitch(t) den kompensierten Nickwinkel bezeichnet, Roll(t-1) einen vorhergehenden Wankwinkel bezeichnet, Pitch(t-1) einen vorhergehenden Nickwinkel bezeichnet, YZ_angle den aktuellen Wankwinkel bezeichnet, der eine Funktion von Beschleunigungen des Fahrzeugs in Richtung entlang der Y-Achse und entlang der Z-Achse ist, XZ_angle den aktuellen Nickwinkel bezeichnet, der eine Funktion von Beschleunigungen des Fahrzeugs in Richtung entlang der X-Achse und entlang der Z-Achse ist, XGyrolntegral und YGyrolntegral eine jeweilige Änderung des Wankwinkels und des Nickwinkels während der gegebenen Zeitdauer als Funktion der vom Gyroskop zur Verfügung gestellten Winkelgeschwindigkeitsdaten bezeichnen.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung des Wankwinkels und die Änderung des Nickwinkels während der gegebenen Zeitdauer mit Hilfe der folgenden Beziehungen berechnet werden: $$XGyroIntegral=\left(\frac{XGyroMeasurement\left(t\right)+XGyroMeasurement\left(t-1\right)}{2}\right)\times \mathrm{\Delta }Time$$

   

   und $$YGyroIntegral=\left(\frac{YGyroMeasurement\left(t\right)+YGyroMeasurement\left(t-1\right)}{2}\right)\times \mathrm{\Delta }Time$$

   

   wobei XGyrolntegral die Änderung des Wankwinkels während der gegebenen Zeitdauer ΔTime bezeichnet, YGyrolntegral die Änderung des Nickwinkels während der gegebenen Zeitdauer ΔTime bezeichnet und XGyroMeasurement(t), XGyroMeasurement(t -1), YGyroMeasurement(t) und YGyroMeasurement(t -1) die vom Gyroskop gelieferten Winkelgeschwindigkeitsdaten bezeichnen.
9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompensationsfaktor mit Hilfe der folgenden Beziehungen berechnet wird: $$Magnitude=\sqrt{{\left(X\_acceleration\right)}^2+{\left(Y\_acceleration\right)}^2+{\left(Z\_acceleration\right)}^2}$$

   

   und $$CompensationFactor=\frac{1}{1+\left|Magnitude-1\right|}$$

   

   wobei Magnitude die Größe der Vektorsumme der Beschleunigungen in Richtung entlang der X-Achse, der Y-Achse und der Z-Achse bezeichnet, wobei X_acceleration, Y_acceleration und Z_acceleration jeweilige Beschleunigungen entlang der X-Achse, der Y-Achse und der Z-Achse in Vielfachen der Größe der Erdbeschleunigung bezeichnen.
10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Neigungswinkelinformation angezeigt wird indem eine Wankwinkelinformation und eine Nickwinkelinformation auf einer Anzeige im Fahrzeug angezeigt werden.

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