DE102010050804B4 - Durch GPS verbesserte Fahrzeuggeschwindigkeitsschätzung - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Schätzen der Fahrzeuggeschwindigkeit für ein Fahrzeug unter Verwendung eines globalen Positionsbestimmungssystems (GPS) (12) einer einzelnen Antenne, wobei das Verfahren die Schritte umfasst, dass:
eine Absolutgeschwindigkeit und ein Kursfahrtrichtungswinkel des Fahrzeugs unter Verwendung des GPS (12) einer einzelnen Antenne gemessen werden;
Gierraten des Fahrzeugs unabhängig von dem GPS (12) gemessen werden;
eine integrierte Gierrate des Fahrzeugs als Funktion der gemessenen Gierraten über einer Zeitperiode berechnet wird;
ein Gierwinkel als Funktion eines initialisierten Gierwinkels und der integrierten Gierrate ermittelt wird;
ein Seitenschlupfwinkel als Funktion des Gierwinkels und des Kursfahrtrichtungswinkels, der durch das GPS (12) bereitgestellt wird, berechnet wird;
die Fahrzeuggeschwindigkeit als Funktion der Absolutgeschwindigkeit und des Seitenschlupfwinkels ermittelt wird; und
die Fahrzeuggeschwindigkeit für eine Fahrzeugdynamiksteueranwendung bereitgestellt wird,
wobei das Verfahren ferner die Schritte umfasst, dass:
eine Verzögerung der GPS-Messungen als Ergebnis der Verarbeitungszeit eines empfangenen GPS-Signals ermittelt wird;
Sensormessungen gepuffert werden, die durch Fahrzeugsensoren (14) bereitgestellt werden;
den Sensormessungen ein Zeitstempel zugeordnet wird;
eine diskrete Fahrzeuggeschwindigkeit für jeden Zeitstempel über der Periode der Verzögerung ermittelt wird, wobei jede diskrete Fahrzeuggeschwindigkeit als Funktion der berechneten Fahrzeuggeschwindigkeit und der gepufferten Sensormessungen bei jedem Zeitstempel ermittelt wird,
wobei das Puffern der Sensormessungen umfasst, dass bei jedem Zeitstempel eine Beschleunigung des Fahrzeugs gepuffert wird, wobei die Beschleunigung eine Längsbeschleunigung umfasst, wobei die Längsbeschleunigung durch die folgende Formel dargestellt wird: $$a_{x,m}={\dot{v}}_{x,estimate}-r_m\cdot v_{y,sensor}+a_{x,bias}+g\cdot \text{sin}{\theta }_r+w_{ax,m},$$

wobei a_x,m die Längsbeschleunigung ist, v̇_x,estimate die Längsgeschwindigkeit am Schwerpunkt des Fahrzeugs ist, r_m eine Gierrate an einem Sensorort ist, a_x,bias der systematische Fehler der Längsbeschleunigung des Sensors ist, g die Schwerkraft ist, θ der Straßengradient ist und w_ax,m das Längsbeschleunigungsmesserrauschen ist,
wobei eine Fahrzeuglängsgeschwindigkeit bei einem jeweiligen Zeitstempel durch die folgende Formel dargestellt wird: $${\widehat{v}}_x\left(t_{k+1}\right)={\widehat{v}}_x\left(t_k\right)+T_s\cdot \left(a_{x,m}+r_m\cdot {\widehat{v}}_y\left(t_k\right)-G\cdot \text{sin}{\theta }_r\right)$$

wobei v̂_x(t_k+1) die Längsgeschwindigkeit bei Zeitstempel k+1 ist, v̂_x(t_k) die Längsgeschwindigkeit bei Zeitstempel k ist, T_s der Zeitstempel bei einem jeweiligen k ist, r_m die gemessene Gierrate ist, a_x,m die Längsgeschwindigkeit bei Zeitstempel k ist, v̂_y(t_k) die Quergeschwindigkeit bei Zeitstempel k ist, G die Schwerkraft ist und θ der Straßengradient ist,
wobei eine Fahrzeuglängsgeschwindigkeit eines aktuellen Zeitstempels auf einer Synchronisation der gemessenen GPS-Messungen und der Sensormessungsdaten basiert und durch die folgende Formel dargestellt wird: $${\widehat{v}}_x\left(t\right)={\displaystyle \sum _{i=1}^k{\widehat{v}}_x\left(t_i\right)+T_s\cdot \left(a_{x,i}+r_{m,i}\cdot {\widehat{v}}_y\left(t_i\right)-g\cdot \text{sin}{\theta }_{r,i}\right)}$$

wobei v̂_x(t) die Längsgeschwindigkeit zur Zeit t ist, v̂_x(t_i) die Längsgeschwindigkeit bei jedem Zeitstempel i ist, T_s die Zeit bei jedem Zeitstempel i ist, r_m,i die gemessene Gierrate zum Zeitpunkt i ist, ax,i die Längsbeschleunigung bei jedem Zeitstempel i ist, v̂_y(t_i) die Quergeschwindigkeit bei jedem Zeitstempel i ist, g die Schwerkraft ist und θ der Straßengradient bei jedem Zeitstempel i ist.

Description

• HINTERGRUND DER ERFINDUNG
• Eine Ausführungsform bezieht sich allgemein auf eine Fahrzeuggeschwindigkeitsschätzung.
• Von einer Verwendung einer genauen Längs- und/oder Quergeschwindigkeit eines Fahrzeugs profitieren verschiedene Fahrzeugssicherheits- und -steuersysteme. Einrichtungen zum genauen Messen von Längs- und Quergeschwindigkeitsmessungen, wie beispielsweise ein GPS mehrerer Antennen oder optische Sensoren, sind entweder zu teuer oder werden von außen eingebaut. Die Verwendung anderer Typen von Sensoren zum Messen der Längs- und Quergeschwindigkeit, wie beispielsweise Raddrehzahlsensoren oder sogar Querbeschleunigungssensoren, bringt Schwierigkeiten beim Bereitstellen von genauen Messungen mit sich, wenn ein übermäßiger Radschlupf vorliegt oder wenn eine Straße mit Querneigung vorliegt.
• DE 100 08 550 A1 offenbart ein Verfahren zur Bestimmung eines Bewegungsparameters eines Fahrzeugs, wobei Fahrzeugsensordaten und D-GPS-Daten verwendet werden, um einen Geschwindigkeitsvektor und Schwimmwinkel des Fahrzeugs zu berechnen.
• DE 10 2008 030 071 A1 beschreibt ein Verfahren zur Kalibrierung des Fahrtrichtungsänderungssensors eines Fahrzeugs unter Verwendung von GPS-Signalen.
• ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
• Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zur Schätzung der Fahrzeuggeschwindigkeit unter Verwendung von GPS bereitzustellen.
• Zur Lösung der Aufgabe ist ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen.
• Figurenliste
• 1 ist ein Fahrzeuggeschwindigkeitsschätzungssystem für ein Fahrzeug.
• 2 ist eine Darstellung eines Geschwindigkeitsvektormodells eines Fahrzeugs.
• 3 ist ein Flussdiagramm zum Schätzen von Längsgeschwindigkeiten und Quergeschwindigkeiten.
• DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
• In 1 ist ein System 10 zum Ermitteln einer Längsgeschwindigkeit und einer Quergeschwindigkeit eines Fahrzeugs gezeigt. Das System umfasst ein globales Positionsbestimmungssystem (GPS) 12 einer einzelnen Antenne und mindestens einen Sensor, der ohne Einschränkung einen Gierratensensor, einen Beschleunigungsmesser und einen Fahrzeugsensor umfasst. Das System 10 umfasst ferner einen Prozessor 16 zum Verarbeiten der Daten, die von dem GPS 12 einer einzelnen Antenne und dem mindestens einen Sensor 14 empfangen werden. Der Prozessor 16 ermittelt eine Längsgeschwindigkeit und eine Quergeschwindigkeit auf der Grundlage der Daten, die durch das GPS 12 einer einzelnen Antenne und den mindestens einen Sensor 14 empfangen werden. Die Längsgeschwindigkeit und die Quergeschwindigkeit, die von dem Prozessor 16 erhalten werden, werden an verschiedene Fahrzeugsicherheits- und -steuersysteme geliefert, die von der Kenntnis einer genauen Längsgeschwindigkeit und Quergeschwindigkeit des Fahrzeugs profitieren.
• Das GPS 12 einer einzelnen Antenne verwendet nur eine Antenne. Das GPS stellt typischerweise eine sehr gute Geschwindigkeitsmessung bereit, die eine Geschwindigkeitsrichtung (d.h. Kursfahrtrichtung) und einen Betrag (d.h. Absolutgeschwindigkeit) umfasst. Beispielsweise ist die GPS-Geschwindigkeit erheblich genauer als die durch ein GPS bereitgestellten Positionsdaten, mit Fehlern in der Größenordnung von 3 cm/s (1σ, horizontale Geschwindigkeit) und 6 cm/s (vertikale Geschwindigkeit) ohne Differenzkorrekturen. Das GPS mehrerer Antennen, das mehr als zwei GPS-Antennen aufweist, stellt auch genaue Gierwinkel bereit. Durch die Kursfahrtrichtung und den Gierwinkel kann ein Seitenschlupfwinkel β ermittelt werden, der verwendet wird, um die Quer- und Längsgeschwindigkeit zu ermitteln.
• 2 zeigt ein Geschwindigkeitsvektormodell eines Fahrzeugs. Mit einer gegebenen Längsgeschwindigkeit v_x und einer gegebenen Quergeschwindigkeit v_y an einem beliebigen Punkt des Fahrzeugs kann der Seitenschlupfwinkel β ermittelt werden. Der Seitenschlupfwinkel wird durch die folgende Gleichung definiert: $$\beta ={\text{tan}}^{-1}\left(\frac{v_y}{v_x}\right).$$

  
• Der Seitenschlupfwinkel β am Schwerpunkt (CG von center of gravity) ist in 2 gezeigt. Wenn die Längs- und Quergeschwindigkeit nicht bekannt sind, kann der Seitenschlupfwinkel β durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden: $$\mathrm{\beta =\gamma -\psi }$$

  

  wobei β ein Seitenschlupfwinkel ist, γ eine Geschwindigkeitsrichtung (d.h. Kursfahrtrichtungswinkel) des Fahrzeugs ist und ψ der Gierwinkel des Fahrzeugs ist.
• Sobald der Seitenschlupfwinkel β ermittelt wurde und die Absolutgeschwindigkeit ||V|| (d.h. der Betrag des Geschwindigkeitsvektors des Fahrzeugs) durch das GPS einer einzelnen Antenne erhalten wurde, können die Längsgeschwindigkeit v_x und die Quergeschwindigkeit v_y durch die folgenden Gleichungen erhalten werden: $$v_x=\Vert V\Vert \text{cos}\left(\beta \right)$$

  

  $$v_y=\Vert V\Vert \text{sin}\left(\beta \right).$$

  
• Ein GPS einer einzelnen Antenne liefert eine direkte Messung des Geschwindigkeitsvektors γ und der Absolutgeschwindigkeit ||V||; ein GPS einer einzelnen Antenne liefert jedoch keine direkte Messung des Fahrzeuggierwinkels ψ. Während ein GPS mehrerer Antennen Höhenmessungen, wie beispielsweise Gier, Nicken und Wanken, bereitstellt, ist das GPS einer einzelnen Antenne auf das Bereitstellen der Absolutgeschwindigkeit und des Kursfahrtrichtungswinkels in Bezug auf die Erde zusätzlich zu einer Positionsmessung beschränkt. Der Gierwinkel ψ kann nicht direkt durch das GPS einer einzelnen Antenne gemessen werden. Daher muss der Gierwinkel ψ im Gegensatz zu einer direkten Messung zum Berechnen des Seitenschlupfwinkels β unter Verwendung von GPS-Daten und Fahrzeugsensordaten berechnet werden.
• Um den Gierwinkel ψ zu erhalten, werden Gierratendaten in Kooperation mit GPS-Daten verwendet, um den Gierwinkel ψ zu schätzen. Der Gierwinkel ψ wird durch Integrieren von Gierratensensormessungen über einer Zeitperiode geschätzt. Ein Nachteil des Integrierens von Gierratenmessungen ist, dass eine reine Integration über der Zeit Sensorfehler, wie beispielsweise ein Rauschen und einen systematischen Fehler (bias) der Sensoren akkumuliert. Diese Belastung von Rauschen und systematischem Fehler hängt vollständig von der Qualität eines Gierratensensors ab. Während das der systematische Fehler und das Rauschniveau von typischen Gierratensensoren möglicherweise nicht hoch sind, ergibt sich, dass die Integration der Gierratensensormessungen nur für einige zehn Sekunden gültig ist. Integrationsfehler aufgrund von Rauschen und systematischem Fehler wachsen schnell an, wenn die Zeit weiterläuft. Ein Beispiel des Fehlers einer Gierratenintegration, das nicht als definitive Zeitbegrenzung zu verstehen ist, ist, dass der Fehler in etwa 25 Sekunden größer als 0,5 Grad wird. Daher muss der Integrationsprozess entweder zurückgesetzt und initialisiert oder kontinuierlich aktualisiert werden. Ohne eine genaue Gierwinkelmessung kann der Integrationsprozess nicht kontinuierlich aktualisiert werden. Daher muss die Gierratenintegration nach einer Zeitperiode erneut initialisiert werden.
• Um den Gierwinkel erneut zu initialisieren wird ermittelt, dass der Seitenschlupfwinkel β Null ist, wenn das Fahrzeug geradeaus fährt. Aus Gleichung (2) wird ermittelt, dass der Gierwinkel ψ gleich der Kursfahrtrichtung γ ist, wenn der Seitenschlupfwinkel β Null ist: $$\mathrm{\gamma =\psi }$$

  

  wenn $$\mathrm{\beta =0}\mathrm{.}$$

  
• Als Ergebnis wird, wenn das Fahrzeug geradeaus fährt, der Gierwinkel ψ erneut mit dem Kursfahrtrichtungswinkel γ initialisiert. Die Gierrate wird auch erneut initialisiert, indem die vorherige Gierrate gelöscht wird und Gierraten über einer nächsten Zeitperiode gemessen werden. Es wird eine neue integrierte Gierrate für die nächste Zeitperiode ermittelt und danach zum Aktualisieren des Gierwinkels verwendet. Die Gleichung zum Schätzen des Gierwinkels als Funktion der integrierten Gierrate und des erneut initialisierten Gierwinkels lautet wie folgt: $$\widehat{\psi }={\displaystyle \underset{0}{\overset{t}{\int }}{r}_{m}dt+{\psi }_0}$$

  

  wobei ψ̂ der geschätzte Gierwinkel ist, r_m die Gierratensensormessung ist, ψ₀ der erneut initialisierte Gierwinkel ist und t eine Zeitdauer ist, in der Gierratensensormessungen integriert werden.
• Als Ergebnis wird der Seitenschlupfwinkel unter Verwendung des geschätzten Gierwinkels wie in Gleichung (7) ermittelt und des Kursfahrtrichtungswinkels γ wie durch das GPS einer einzelnen Antenne bereitgestellt geschätzt, wie es durch die folgende Gleichung angegeben ist: $$\widehat{\beta }={\gamma }_m^{GPS}-\widehat{\psi }$$

  

  wobei β̂ der geschätzte Seitenschlupfwinkel ist, ${\mathrm{\gamma }}_{\text{m}}^{\text{GPS}}$

  

  der Kursfahrtrichtungswinkel wie durch das GPS einer einzelnen Antenne gemessen ist und ψ̂ der geschätzte Gierwinkel ist, der durch die integrierte Gierrate ermittelt wird.
• In dem Fall, dass das Fahrzeug weiter entlang einer Kurve (d.h. nicht geradeaus) fährt, in der der Seitenschlupf nicht erneut mit Null initialisiert werden kann, kann der Seitenschlupfwinkel β̂̂ unter Verwendung der Techniken geschätzt werden, die in der ebenfalls anhängigen Anmeldung US 7 908 112 B2 beschrieben sind, die am 24. November 2008 eingereicht wurde und deren Offenbarungsgehalt hierin durch Bezugnahme vollständig miteingeschlossen ist.
• Sobald der geschätzte Seitenschlupfwinkel β̂̂ bekannt ist, können geschätzte Längsgeschwindigkeiten und Quergeschwindigkeiten wie folgt unter Verwendung der Absolutgeschwindigkeit ||V||, die durch das GPS einer einzelnen Antenne ermittelt wird, und des geschätzten Seitenschlupfwinkels β̂̂ ermittelt werden: $${\widehat{v}}_x=\Vert V\Vert \text{cos}\left(\widehat{\beta }\right)$$

  

  $${\widehat{v}}_y=\Vert V\Vert \text{sin}\left(\widehat{\beta }\right).$$

  
• Es kann weiterhin ein Problem aufgrund der Aktualisierungsrate der GPS-Geschwindigkeitsmessung bei einer Verwendung zum Schätzen des Seitenschlupfwinkels, der Quergeschwindigkeit und der Längsgeschwindigkeit für Fahrzeugdynamikanwendungen vorliegen. Das heißt, Fahrzeugdynamikanwendungen profitieren von dem rechtzeitigen Empfangen einer Information und dem dementsprechenden Durchführen von Steuermaßnahmen. Einige GPS-Empfänger weisen üblicherweise eine Aktualisierungsrate von 1-20 Hz auf. Einige Fahrzeugdynamikanwendungen, wie beispielsweise, jedoch ohne Einschränkung, ein Fahrzeugstabilitätssteuersystem, erfordern eine schnellere Aktualisierungsrate. Ferner können Verzögerungen bei Messungen, die ein Ergebnis der Zeit sind, die erforderlich ist, um die Signale von [engl.: „form“] GPS-Satelliten zu verarbeiten, von mehreren zehn Millisekunden bis zu Hunderten von Millisekunden dauern. Diese Verzögerung wird sogar noch signifikanter, wenn die GPS-Messungen mit anderen Fahrzeugsensormessungen, wie beispielsweise den Gierratensensormessungen, verwendet werden. Aufgrund der Übertragungs- und Verarbeitungsverzögerungen des GPS-Systems müssen die verzögerten GPS-Messungen und die anderen Fahrzeugsensormessungen synchronisiert werden. Die Verzögerung kann unter Verwendung des PPS-Signals (Impuls-pro-Sekunde-Signals) von dem GPS-Empfänger synchronisiert werden. Das PPS ist ein Impulssignal, das bei jeder Sekunde der GPS-Zeit entweder eine steigende oder eine fallende Flanke aufweist. Als Ergebnis weist jeder GPS-Messungsabtastwert einen GPS-Zeitstempel auf und können die GPS-Messungen mit anderen Sensormessungen synchronisiert werden, da es keine Verzögerung des PPS über den GPS-Empfänger gibt.
• Um die GPS-Messungen und andere Sensormessungen zu synchronisieren, wird die Verzögerung zuerst unter Verwendung des PPS-Signals von dem GPS-Empfänger ermittelt. Die Sensormessungen werden gepuffert, da es keine Verzögerung in Bezug auf die Verarbeitung der Sensormessungen gibt. Die dem Beginn der Verzögerung zugehörigen gepufferten Daten werden als Startpunkte verwendet, und die geschätzte Quergeschwindigkeit und Längsgeschwindigkeit werden bis zu dem aktuellen Zeitstempel unter Verwendung der gepufferten Daten summiert oder erneut integriert.
• Um die gepufferten Daten der Verzögerung einzubeziehen sei k eine vergangene Zeit und t_k ein aktueller Zeitschritt, wobei die Daten von Schritten der Zeit k in der Vergangenheit abgerufen werden. Zur Zeit t_k basieren die folgenden Gleichungen auf den GPS-Messungsdaten: $${\widehat{v}}_x\left(t\right)=\Vert V_{GPS}\left(k\right)\Vert \text{cos}\left(\widehat{\beta }\left(k\right)\right)$$

  

  $${\widehat{v}}_y\left(t\right)=\Vert V_{GPS}\left(k\right)\Vert \text{sin }s\left(\widehat{\beta }\left(k\right)\right).$$

  
• Das Ziel ist, v̂_x(t) und v̂_y(t) zu finden, wobei t den aktuellen Zeitstempel darstellt. Um v̂_x(t) und v̂_y(t) bei dem aktuellen Zeitstempel t zu ermitteln, werden verschiedene Sensormessungen sowie berechnete Werte, die von der letzten GPS-Aktualisierung k bis zur aktuellen Zeit t erhalten werden, gepuffert. Die verschiedenen Sensormessungen und berechneten Werte umfassen a_x,m, a_y,m, ψ̇, einen Querneigungswinkel und Gradientenwinkel. Werte, die nicht durch Sensormessungen erhalten werden, können unter Verwendung der folgenden Beziehungen ermittelt werden: $$a_{y,m}={\dot{v}}_{y,estimate}+r_m\cdot v_{x,sensor}+a_{y,bias}+g\cdot \text{sin}{\varphi }_r+w_{ay,m}$$

  

  $$a_{x,m}={\dot{v}}_{x,estimate}+r_m\cdot v_{y,sensor}+a_{x,bias}+g\cdot \text{sin}{\theta }_r+w_{ax,m}$$

  

  wobei a_y,m eine Querbeschleunigungsmessermessung ist, a_x,bias ein systematischer Fehler des Querbeschleunigungsmesser ist, r_m eine Gierrate an einem Sensorort ist, v̇_y,estimate eine Quergeschwindigkeit am Schwerpunkt des Fahrzeugs ist, a_y,bias der systematische Fehler der Querbeschleunigung eines Sensors ist, g die Schwerkraft ist, ϕ_r der Straßengradient ist, w_ay,m das Querbeschleunigungsmesserrauschen ist, a_x,m die Längsbeschleunigung ist, v̇_x,estimate die Längsgeschwindigkeit am Schwerpunkt des Fahrzeugs ist, a_x,bias der systematische Fehler der Längsbeschleunigung des Sensors ist, θ der Straßengradient ist und w_ax,m das Längsbeschleunigungsmesserrauschen ist.
• Für jede diskrete Zeitinstanz über der Periode der Verzögerung (z.B. jeden Schritt k) wird eine neue v̂_x(t) und v̂_y(t) ermittelt. Die folgende Gleichung stellt die Längsgeschwindigkeit zu einem nächsten Zeitpunkt innerhalb der Verzögerungsperiode dar: $${\widehat{v}}_x\left(t_{k+1}\right)={\widehat{v}}_x\left(t_k\right)+T_s\cdot \left(a_{x,m}+r_m\cdot {\widehat{v}}_y\left(t_k\right)-g\cdot \text{sin}{\theta }_r\right)$$

  

  wobei v̂_x(t_k+1) die Längsgeschwindigkeit bei Zeitstempel k+1 ist, v̂_x(t_k) die Längsgeschwindigkeit bei Zeitstempel k ist, T_s der Zeitstempel bei einem jeweiligen k ist, a_x,m die Längsgeschwindigkeit bei Zeitstempel k ist, r_m die gemessene Gierrate ist, v̂_y(t_k) die Quergeschwindigkeit bei Zeitstempel k ist, g die Schwerkraft ist, θ der Straßengradient ist.
• Die folgende Gleichung stellt die Quergeschwindigkeit bei einer nächsten Zeitinstanz innerhalb der Verzögerung dar: $${\widehat{v}}_y\left(t_{k+1}\right)={\widehat{v}}_y\left(t_k\right)+T_s\cdot \left(a_{y,m}+r_m\cdot {\widehat{v}}_x\left(t_k\right)-g\cdot \text{sin}{\varphi }_r\right)$$

  

  wobei v̂_y(t_k+1) die Quergeschwindigkeit bei Zeitstempel k+1 ist, v̂_y(t_k) die Quergeschwindigkeit bei Zeitstempel k ist, T_s der Zeitstempel bei einem jeweiligen k ist, a_y,m die Quergeschwindigkeit bei Zeitstempel k ist, r_m die gemessene Gierrate ist, v̂_x(t_k) die Längsgeschwindigkeit bei Zeitstempel k ist, g die Schwerkraft ist und ϕ_r der Straßengradient ist.
• Da der systematische Fehler und das Rauschen der Sensoren Teil der Messungsdaten sind, werden die Variablen des systematischen Fehlers und des Rauschens aus der Gleichung fallen gelassen. Nachdem die Längs- und Quergeschwindigkeit für jede Zeitinstanz (d.h. k Schritte) geschätzt wurden, werden die Längs- und Quergeschwindigkeit des Fahrzeugs des aktuellen Zeitstempels auf der Grundlage der Synchronisation der GPS-Messungen und der gepufferten Sensormessungsdaten ermittelt. Die Längsgeschwindigkeit für den aktuellen Zeitstempel wird durch die folgende Formel dargestellt: $${\widehat{v}}_x\left(t\right)={\displaystyle \sum _{i=1}^k{\widehat{v}}_x\left(t_i\right)+T_s\cdot \left(a_{x,i}+r_{m,i}\cdot {\widehat{v}}_y\left(t_i\right)-g\cdot \text{sin}{\theta }_{r,i}\right)}$$

  

  wobei v̂_x(t) die Längsgeschwindigkeit zur Zeit t ist, v̂_x(t_i) die Längsgeschwindigkeit bei jedem Zeitstempel i ist, T_s die Zeit bei jedem Zeitstempel i ist, a_x,m die Längsbeschleunigung bei jedem Zeitstempel i ist, r_m,i die gemessene Gierrate zu einem Zeitpunkt i ist, v̂_y(t_i) die Quergeschwindigkeit bei jedem Zeitstempel i ist, g die Schwerkraft ist und θ der Straßengradient bei jedem Zeitstempel i ist.
• Auf ähnliche Weise kann die Quergeschwindigkeit des aktuellen Zeitstempels durch die folgende Gleichung dargestellt werden: $${\widehat{v}}_y\left(t\right)={\displaystyle \sum _{i=1}^k{\widehat{v}}_y\left(t_i\right)+T_s\cdot \left(a_{y,i}+r_{m,i}\cdot {\widehat{v}}_x\left(t_i\right)-g\cdot \text{sin}{\varphi }_{r,i}\right)}$$

  

  wobei v̂_y(t) die Quergeschwindigkeit zur Zeit t ist, v̂_y(t_i) die Quergeschwindigkeit bei jedem Zeitstempel i ist, T_s die Zeit bei jedem Zeitstempel i ist, a_y,m die Querbeschleunigung bei jedem Zeitstempel i ist, r_m,i die gemessene Gierrate zu einem Zeitpunkt i ist, v̂_x(t_i) die Längsgeschwindigkeit bei jedem Zeitstempel i ist, g die Schwerkraft ist und ϕ_r,i die Querneigung der Straße bei jedem Zeitstempel i ist.
• Die Längsgeschwindigkeit v̂_y(t) des Fahrzeugs und die Quergeschwindigkeit v̂_y(t_k+1) des Fahrzeugs für den aktuellen Zeitstempel, die aus Gleichung (17) und Gleichung (18) erhalten werden, werden Fahrzeugdynamikanwendungen bereitgestellt, um Steuermaßnahmen auf der Grundlage der aktuellen Betriebsbedingungen des Fahrzeugs zu ermitteln.
• 3 zeigt ein Flussdiagramm zum Ermitteln der Längs- und Quergeschwindigkeit für einen aktuellen Zeitstempel. In Schritt 20 werden die Absolutgeschwindigkeit des Fahrzeugs und der Kursfahrtrichtungswinkel von einem GPS einer einzelnen Antenne abgerufen.
• In Schritt 21 werden Gierraten von Fahrzeugsensoren unabhängig von einem GPS erhalten. In Schritt 22 werden die über einer Zeitperiode gemessenen Gierraten integriert, um einen Gierwinkel zu ermitteln.
• In Schritt 23 wird der Gierwinkel als Funktion der integrierten Gierrate und des aktuellen Gierwinkels geschätzt (Gleichung (7)). Fehler in den Sensormessungsdaten aufgrund der Qualität des Sensors erfordern, dass die integrierte Gierrate und der aktuelle Gierwinkel nach einer Zeitperiode erneut initialisiert werden. Wie zuvor erläutert ist der Gierwinkel gleich dem Kursfahrtrichtungswinkel, wenn das Fahrzeug geradeaus fährt. Daher ermittelt das System, nachdem die Zeitperiode abgelaufen ist, ob das Fahrzeug geradeaus fährt, um den Gierwinkel erneut mit dem des Kursfahrtrichtungswinkels zu initialisieren, oder initialisiert es den Gierwinkel erneut unter Verwendung eines Schätzwertschlupfwinkels gemäß dem Verfahren, das in der ebenfalls anhängigen US 7 908 112 B2 beschrieben ist.
• In Schritt 24 wird der Seitenschlupfwinkel unter Verwendung des in Schritt 23 ermittelten geschätzten Gierwinkels und des Kursfahrtrichtungswinkels wie durch das GPS einer einzelnen Antenne gemessen geschätzt (Gleichung (8)).
• In Schritt 25 wird die Fahrzeuggeschwindigkeit als Funktion der Absolutgeschwindigkeit und des Seitenschlupfwinkels unter Verwendung von Gleichung (9) und (10) ermittelt. Aufgrund der Aktualisierungsrate und von Verzögerungen beim Verarbeiten der Daten in dem GPS-Empfänger müssen Schätzwerte für einen aktuellen Zeitstempel erzeugt werden, da die in Gleichung (9) und (10) verarbeiteten Daten vergangene Daten verwenden (d.h. verzögerte Daten).
• In Schritt 26 wird eine Verzögerung des GPS-Signals in Relation zu den Fahrzeugsensormessungsdaten unter Verwendung des PPS in dem GPS-Signal ermittelt.
• In Schritt 27 werden Sensormessungsdaten zur Synchronisation gepuffert.
• In Schritt 28 werden eine Fahrzeuglängs- und -quergeschwindigkeit zu jeder Zeitinstanz der Verzögerung ermittelt, indem die GPS-Messungen mit den Fahrzeugsensormessungen unter Verwendung der Gleichungen synchronisiert werden, die in Gleichung (13) - (16) gezeigt sind.
• In Schritt 29 werden eine geschätzte Längsgeschwindigkeit und eine geschätzte Quergeschwindigkeit unter Verwendung jeder der diskreten Geschwindigkeitsberechnungen in Gleichung (15) - (16) ermittelt. Die geschätzte Längs- und Quergeschwindigkeit werden unter Verwendung eines Summierungsprozesses wie in Gleichung (17) - (18) gezeigt ermittelt. Alternativ kann eine Integralfunktion in Gleichung (17) - (18) durch Integrieren jedes Zeitschritts aufgrund der Aktualisierungen, die bei der Längs- und Quergeschwindigkeitsschätzung nach jedem Zeitschritt stattfinden, ersetzt werden.
• Es ist zu verstehen, dass der obige Prozess verwendet wird, wenn GPS-Daten vorhanden sind. In jenen Fällen, in denen kein GPS verfügbar ist, kann eine Technik einer nächstbesten Schätzung verwendet werden, um die Längs- und Quergeschwindigkeit zu ermitteln, wie beispielsweise jene, die in der ebenfalls anhängigen US 7 908 112 B2 beschrieben ist; die hierin beschriebene obige Schätzungstechnik kann jedoch erneut ausgeführt werden, wenn das GPS zur Verfügung steht, da die Verwendung der GPS-Daten eine größere Genauigkeit bereitstellt als Fahrzeugsensoren, die Fehlern und einem systematischen Fehler über der Zeit unterliegen.
• Während bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ausführlich beschrieben wurden, werden Fachleute, die diese Erfindung betrifft, verschiedene alternative Entwürfe und Ausführungsformen zum Ausführen der Erfindung wie durch die folgenden Ansprüche definiert erkennen.

Claims (1)

1. Verfahren zum Schätzen der Fahrzeuggeschwindigkeit für ein Fahrzeug unter Verwendung eines globalen Positionsbestimmungssystems (GPS) (12) einer einzelnen Antenne, wobei das Verfahren die Schritte umfasst, dass: eine Absolutgeschwindigkeit und ein Kursfahrtrichtungswinkel des Fahrzeugs unter Verwendung des GPS (12) einer einzelnen Antenne gemessen werden; Gierraten des Fahrzeugs unabhängig von dem GPS (12) gemessen werden; eine integrierte Gierrate des Fahrzeugs als Funktion der gemessenen Gierraten über einer Zeitperiode berechnet wird; ein Gierwinkel als Funktion eines initialisierten Gierwinkels und der integrierten Gierrate ermittelt wird; ein Seitenschlupfwinkel als Funktion des Gierwinkels und des Kursfahrtrichtungswinkels, der durch das GPS (12) bereitgestellt wird, berechnet wird; die Fahrzeuggeschwindigkeit als Funktion der Absolutgeschwindigkeit und des Seitenschlupfwinkels ermittelt wird; und die Fahrzeuggeschwindigkeit für eine Fahrzeugdynamiksteueranwendung bereitgestellt wird, wobei das Verfahren ferner die Schritte umfasst, dass: eine Verzögerung der GPS-Messungen als Ergebnis der Verarbeitungszeit eines empfangenen GPS-Signals ermittelt wird; Sensormessungen gepuffert werden, die durch Fahrzeugsensoren (14) bereitgestellt werden; den Sensormessungen ein Zeitstempel zugeordnet wird; eine diskrete Fahrzeuggeschwindigkeit für jeden Zeitstempel über der Periode der Verzögerung ermittelt wird, wobei jede diskrete Fahrzeuggeschwindigkeit als Funktion der berechneten Fahrzeuggeschwindigkeit und der gepufferten Sensormessungen bei jedem Zeitstempel ermittelt wird, wobei das Puffern der Sensormessungen umfasst, dass bei jedem Zeitstempel eine Beschleunigung des Fahrzeugs gepuffert wird, wobei die Beschleunigung eine Längsbeschleunigung umfasst, wobei die Längsbeschleunigung durch die folgende Formel dargestellt wird: $$a_{x,m}={\dot{v}}_{x,estimate}-r_m\cdot v_{y,sensor}+a_{x,bias}+g\cdot \text{sin}{\theta }_r+w_{ax,m},$$

   

   wobei a_x,m die Längsbeschleunigung ist, v̇_x,estimate die Längsgeschwindigkeit am Schwerpunkt des Fahrzeugs ist, r_m eine Gierrate an einem Sensorort ist, a_x,bias der systematische Fehler der Längsbeschleunigung des Sensors ist, g die Schwerkraft ist, θ der Straßengradient ist und w_ax,m das Längsbeschleunigungsmesserrauschen ist, wobei eine Fahrzeuglängsgeschwindigkeit bei einem jeweiligen Zeitstempel durch die folgende Formel dargestellt wird: $${\widehat{v}}_x\left(t_{k+1}\right)={\widehat{v}}_x\left(t_k\right)+T_s\cdot \left(a_{x,m}+r_m\cdot {\widehat{v}}_y\left(t_k\right)-G\cdot \text{sin}{\theta }_r\right)$$

   

   wobei v̂_x(t_k+1) die Längsgeschwindigkeit bei Zeitstempel k+1 ist, v̂_x(t_k) die Längsgeschwindigkeit bei Zeitstempel k ist, T_s der Zeitstempel bei einem jeweiligen k ist, r_m die gemessene Gierrate ist, a_x,m die Längsgeschwindigkeit bei Zeitstempel k ist, v̂_y(t_k) die Quergeschwindigkeit bei Zeitstempel k ist, G die Schwerkraft ist und θ der Straßengradient ist, wobei eine Fahrzeuglängsgeschwindigkeit eines aktuellen Zeitstempels auf einer Synchronisation der gemessenen GPS-Messungen und der Sensormessungsdaten basiert und durch die folgende Formel dargestellt wird: $${\widehat{v}}_x\left(t\right)={\displaystyle \sum _{i=1}^k{\widehat{v}}_x\left(t_i\right)+T_s\cdot \left(a_{x,i}+r_{m,i}\cdot {\widehat{v}}_y\left(t_i\right)-g\cdot \text{sin}{\theta }_{r,i}\right)}$$

   

   wobei v̂_x(t) die Längsgeschwindigkeit zur Zeit t ist, v̂_x(t_i) die Längsgeschwindigkeit bei jedem Zeitstempel i ist, T_s die Zeit bei jedem Zeitstempel i ist, r_m,i die gemessene Gierrate zum Zeitpunkt i ist, ax,i die Längsbeschleunigung bei jedem Zeitstempel i ist, v̂_y(t_i) die Quergeschwindigkeit bei jedem Zeitstempel i ist, g die Schwerkraft ist und θ der Straßengradient bei jedem Zeitstempel i ist.

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