DE19705312B4 - Adaptive steering angle sensor for vehicles - Google Patents

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Abstract

Adaptiver Lenkwinkelsensor für Fahrzeuge, der zur Lenkwinkelbestimmung einen Code auf dem drehenden Teil benutzt und eine Fotodetektoranordnung aufweist, auf die der Code abgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine absolute Winkelbestimmung durch Auslesen der Kontrastinformation mittels eines Mikroprozessors (108) erfolgt, der sowohl die Winkellage des Codes als auch die Feinauflösung der Winkel durch die relative Lage des erkannten Codes zur Abbildung auf der Fotodetektoranordnung (107) ermittelt, und dass zugleich bei jeder Messung die Gesamtfunktion des Systems überprüft und angepasst wird.adaptive Steering angle sensor for Vehicles for steering angle determination a code on the rotating Part used and having a photodetector array, to which the Code is mapped, characterized in that an absolute Angle determination by reading the contrast information by means of a microprocessor (108) takes place, which both the angular position of the code as well as the fine resolution the angle through the relative position of the recognized code for illustration determined on the photodetector array (107), and that at the same time at each measurement the overall function of the system is checked and adjusted becomes.

Figure 00000001
Figure 00000001

Description

Die Erfindung betrifft einen adaptiven Lenkwinkelsensor für Fahrzeuge gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The The invention relates to an adaptive steering angle sensor for vehicles according to the preamble of Claim 1.

Um den Winkel einer im Fahrzeug untergebrachten Lenkeinrichtung entsprechend dem Wunsch des Fahrzeugführers zu messen, sind bereits Anordnungen bekannt.Around the angle of a housed in the vehicle steering device accordingly the wish of the driver Measurements are already known arrangements.

So werden bereits Drehwiderstände mit der Lenksäule gekoppelt und geben ein analoges Signal ab. Außerdem ist die Anordnung einer oder mehrerer Lichtschranken bekannt, die durch entsprechende Kulissen eine digitale Erfassung des Lenkwinkels gestatten. Alle diese Anordnungen haben den Nachteil, dass sie sehr enge elektrische, optische oder mechanische Toleranzen erforderlich machen und nicht über alle Funktionen testbar
sind oder sehr viel Volumen im Bereich der Lenksäule einnehmen.Thus, rotational resistances are already coupled with the steering column and emit an analog signal. In addition, the arrangement of one or more light barriers is known, which allow through appropriate scenes a digital detection of the steering angle. All of these arrangements have the disadvantage that they require very narrow electrical, optical or mechanical tolerances and can not be tested over all functions
are or take a lot of volume in the area of the steering column.

Zur Bestimmung der absoluten Weg- und Winkelinformation durch optische Auswertung von Strichkodestrukturen ist aus der Veröffentlichung von Trumpold, Harry u. a.: Auswertung von Strichkodestrukturen zur absoluten Weg- und Winkelmessung, Feinwerktechnik und Meßtechnik 1994, Heft 11–12, S. 566–572, ein entsprechendes System bekannt. Dieses System ist für einen Lenkwinkelsensor in Fahrzeugen nicht geeignet. Es müssen zur Vermeidung von Toleranzproblemen drei Codeinformationen auf einem CCD oder einem Mehrfach-CCD abgelesen werden. Damit ist eine sehr hohe Auflösung erforderlich, die einen teuren Computer und eine filigrane Codestruktur erforderlich macht, was in einer Großserie, wie im Kraftfahrzeugbau, nicht realisierbar ist.to Determination of the absolute path and angle information by optical Evaluation of bar code structures is from the publication by Trumpold, Harry u. a .: Evaluation of Bar Code Structures for absolute displacement and angle measurement, precision engineering and measuring technology 1994, Issue 11-12, p. 566-572, a corresponding system known. This system is for one Steering angle sensor not suitable in vehicles. It must to Avoidance of tolerance problems three code information on one CCD or a multiple CCD can be read. This is a very high resolution required, which requires an expensive computer and a filigree code structure do what in a mass production, as in the automotive industry, is not feasible.

In der DE 43 24 381 A1 wird ein Positionsgeber beschrieben, bei dem ein Vergleich der Codespur mit den gewünschten Positionsdaten mittels genau beschriebener Schieberegisterstrukturen stattfindet. Dieser ist damit nicht auf die Lage des Codes relativ zum Detektor sondern auf die Passung der Bitstruktur zur Schieberegisterstruktur ausgerichtet.In the DE 43 24 381 A1 a position encoder is described in which a comparison of the code track with the desired position data takes place by means of precisely described shift register structures. This is not aligned with the position of the code relative to the detector but with the fit of the bit structure to the shift register structure.

In der DE 42 28 719 A1 ist ein kapazitiver Lenkwinkelsensor angegeben, der entsprechende Gruppen von Sende-Empfangskanälen benötigt und zur Bestimmung des Winkels entweder eine Spirale benötigt, die mit großer Ungenauigkeit behaftet ist, oder viele Codespuren nutzt.In the DE 42 28 719 A1 is a capacitive steering angle sensor indicated, the corresponding groups of transmit-receive channels required and for the determination of the angle either requires a spiral that is subject to great inaccuracy, or uses many code tracks.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Lenkwinkelsensor zu schaffen, der keine engen elektrischen, optischen oder mechanischen Toleranzen aufweist und über alle Funktionen testbar ist.Of the Invention is based on the object, a steering angle sensor do not create any tight electrical, optical or mechanical Has tolerances and over all functions are testable.

Erfindungsgemäß wird das gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht.According to the invention according to the characteristics of claim 1 achieved.

Bei einem adaptiven Lenkwinkelsensor für Fahrzeuge, der zur Lenkwinkelbestimmung einen Code auf dem drehenden Teil benutzt und eine Fotodetektoranordnung aufweist, auf die der Code abgebildet ist, erfolgt erfindungsgemäß eine absolute Winkelbestimmung durch Auslesen der Kontrastinformation mittels eines Mikroprozessors, der sowohl die Winkellage des Codes als auch die Feinauflösung der Winkel durch die relative Lage des erkannten Codes zur Abbildung auf der Fotodetektoranordnung ermittelt, wobei zugleich bei jeder Messung die Gesamtfunktion des Systems überprüft und angepasst wird.at an adaptive steering angle sensor for vehicles, the steering angle determination using a code on the rotating part and a photodetector array has, to which the code is mapped, according to the invention is an absolute Angle determination by reading the contrast information by means of a microprocessor, which both the angular position of the code and the fine resolution of Angle by the relative position of the recognized code for illustration determined on the photodetector, wherein at the same time at each Measurement the overall function of the system is checked and adjusted.

Zur Überwachung der Systemfunktion kann auf die Fotodetektorzeile mindestens ein Referenzschattenbild projiziert werden.For monitoring the system function can at least one on the photodetector line Reference shadow image are projected.

Weiterhin ist es zweckmäßig, dass der absolute Winkelbereich bei n × 360° über die Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs ermittelt wird.Farther it is appropriate that the absolute angle range at n × 360 ° over the travel speed of the vehicle is determined.

Zur Erhöhung der Auflösung können mindestens zwei unterschiedliche Abbildungen eines oder mehrerer Umfangscodes auf die Fotodetektorzeile abgebildet werden.to increase the resolution can at least two different illustrations of one or more Perimeter codes are mapped to the photodetector line.

Zur Erfassung des absoluten Lenkwinkels auch bei abgeschalteten Fahrzeugsystemen wird der Lenkwinkel durch kurzes Einschalten des Lenkwinkelsensors in Zeitintervallen, in denen keine Drehung größer 180° möglich ist, ermittelt.to Detection of the absolute steering angle even when the vehicle systems are switched off is the steering angle by briefly turning on the steering angle sensor in time intervals in which no rotation greater than 180 ° is possible determined.

Um optische und mechanische Toleranzen auszugleichen werden die auf der Fotodetektorzeile entstehenden Signale im Hinblick auf ihre Flankensteilheit und Abbildungsgröße ausgewertet.Around compensate for optical and mechanical tolerances on the photodetector line resulting signals with regard to their Slope and image size evaluated.

Die Erfindung soll in Ausführungsbeispielen anhand von Zeichnungen erläutert werden. Es zeigen:The Invention is based on embodiments explained by drawings become. Show it:

1 eine Prinzipschaltung; 1 a principle circuit;

1a eine Code-Spur; 1a a code track;

2 Signale einer Fotodiodenzeile; 2 Signals of a photodiode array;

3 eine Weiterbildung der Anordnung nach 1; 3 a development of the arrangement according to 1 ;

4 eine Anordnung mit einem zweigeteilten Code; 4 an arrangement with a two-part code;

4a einen Schnitt durch die Anordnung nach 4. 4a a section through the arrangement according to 4 ,

Ein Beispiel der Erfindung soll anhand von 1 beschrieben werden. Auf dem drehbaren Teil der Lenkeinrichtung 101 ist ein entsprechender digitaler Code 102 auf dem Umfang angebracht. Der Code ist so angelegt, dass er sich über den ganzen Umfang im Betrachtungsbereich 103 nicht wiederholt. Für die Ermittlung des absoluten Lenkwinkels innerhalb von 360° reicht damit ein einspuriger Code.An example of the invention is based on 1 to be discribed. On the rotatable part of the steering device 101 is a corresponding digital code 102 mounted on the circumference. The code is designed to be over the entire circumference in the viewing area 103 not repeated. For the determination of the absolute steering angle within 360 °, a one-lane code suffices.

Der Betrachtungsbereich 103 wird einerseits durch die Licht emittierenden Dioden 104 und 105 beleuchtet und über die Linse oder Optik 106 auf eine Fotodetektorzeile 107 abgebildet. Diese Fotodetektorzeile kann als ladungsgekoppelte Detektorzeile (CCD) ausgeführt sein. Der Code im Betrachtungsbereich 103 ist entsprechend 1a als Schwarzweiß Code 102 oder auch als Code mit anders erzeugten Kontrastunterschieden ausgeführt. Der Code wird als Kontrastunterschied von der Fotodetektorzeile auf den Mikroprozessor 108 gegeben. Dieser wertet die Kontrastunterschiede aus, dekodiert sie und gibt die Drehwinkelposition über die Schnittstelle 109 an das Fahrzeug 110 weiter. Die gesamte Einheit wird über die Stromversorgung 112 z. B. aus dem 12 V Fahrzeugnetz 113 versorgt. Ist der Code 102 im Betrachtungs- und Auswertungsbereich 103 sehr gut auf die Fotodetektorzeile 107 abgebildet, ergeben sich sehr deutliche Kontrastunterschiede mit entsprechend scharfen Abgrenzungen. Ist die Abbildung unscharf durch radiale Toleranz oder Verschmutzung, ergeben sich Kontrastunterschiede entsprechend 2.The viewing area 103 on the one hand by the light-emitting diodes 104 and 105 illuminated and via the lens or optics 106 on a photo detector line 107 displayed. This photodetector line can be designed as a charge-coupled detector line (CCD). The code in the viewing area 103 is appropriate 1a as black and white code 102 or executed as a code with differently produced contrast differences. The code is contrasted by the photodetector line on the microprocessor 108 given. This evaluates the contrast differences, decodes them and gives the angular position via the interface 109 to the vehicle 110 further. The entire unit is powered by 112 z. B. from the 12 V vehicle network 113 provided. Is the code 102 in the observation and evaluation area 103 very good on the photo detector line 107 Imaged, there are very clear contrast differences with correspondingly sharp demarcations. If the image is out of focus due to radial tolerance or contamination, contrast differences result accordingly 2 ,

Hier sind auf der x-Achse 201 die lineare Zuordnung der Fotodioden (entsprechend dem Betrachtungsbereich) und auf der y-Achse die zugehörigen Amplituden dargestellt. Der Graph 203 zeigt die Rohsignale der Fotodiodenzeile. Durch bekannte Verfahren der Steigungsauswertung wird im Sensorprozessor 108 (1) der Code wieder rekonstruiert. Dies ist in 2 durch den Signalzug 204 gezeigt. 2 zeigt reale Werte aus einem Funktionsmodell. Bei radialen Toleranzen wird die Abbildung des Codes entsprechend unscharf und je nach Abstand größer oder kleiner. Dies wird zur Auswertung im Sensorprozessor herangezogen und damit die nötige Genauigkeit trotz radialer Toleranzen gewährleistet.Here are on the x-axis 201 the linear assignment of the photodiodes (corresponding to the viewing area) and represented on the y-axis, the associated amplitudes. The graph 203 shows the raw signals of the photodiode array. By known methods of slope evaluation is in the sensor processor 108 ( 1 ) the code reconstructed again. This is in 2 through the signal train 204 shown. 2 shows real values from a function model. For radial tolerances, the image of the code will be blurred and larger or smaller depending on the distance. This is used for evaluation in the sensor processor and thus ensures the necessary accuracy despite radial tolerances.

Durch die Auswertung der Amplituden 203 über die Zahl der Fotodetektoren kann die Verstärkung bei fortschreitender Verschmutzung oder bei Alterung der Bauteile erhöht werden oder die Leuchtdichte an den Dioden 104 und 105 entsprechend adaptiv eingestellt werden. Diese Einstellung kann auch über den Umfang oder die Betrachtungsstrecke angepasst werden. Axiale Toleranzen werden einfach über die Höhe der Codespur 102 ausgeglichen.By the evaluation of the amplitudes 203 The number of photodetectors can be used to increase the gain as the contamination progresses or as the components age, or the luminance on the diodes 104 and 105 be adjusted accordingly adaptive. This setting can also be adjusted over the circumference or the viewing distance. Axial tolerances are simply over the height of the code track 102 balanced.

Eine Weiterbildung der Erfindung ist in 3 dargestellt. Die Anordnung entspricht 1 jedoch ist zur Prüfung des Gesamtsystems im Überwachungs- und Schnittstellenprozessor 301 eine Software installiert, die entweder beim Einschalten und/oder zyklisch eine oder mehrere Licht emittierende Dioden 302 und 303 einschaltet, die über eine Maske 304 auf die Fotodetektorzeile 107 abgebildet sind. Durch sequentielles Einschalten der Dioden 302 und 303 werden auf der Fotodetektorzeile nacheinander ein oder mehrere Schattenbilder erzeugt. Damit kann die Funktion der Gesamtanordnung über alle Komponenten geprüft werden. Bei Verschmutzungen im Bereich der optischen Komponenten kann dann z. B. die Lichtleistung der Licht emittierenden Dioden 104 und 105 durch entsprechende Erhöhung des Steuerstromes leicht angepasst werden. Auch der Ausfall von einzelnen Detektoren der Fotodiodenzeile wird bemerkt und kann durch rechnerische Maßnahmen ausgeglichen werden. Während der gesamten Betriebszeit, in der die Messungen des Lenkwinkels stattfinden, wird es mit vorliegender Erfindung möglich, durch Auswertung der Anstiegs- und Abfallzeiten der Signale entsprechend 2 und derer Amplitude und Abbildung des Codes 102, das Gesamtsystem nicht nur im Sinne einer Diagnose zu überwachen, sondern auch Toleranzen auszugleichen und die Genauigkeit über nahezu alle Betriebseinflüsse zu erhalten.A development of the invention is in 3 shown. The arrangement corresponds 1 however, to test the overall system in the monitoring and interface processor 301 a software installed, either at power-on and / or cyclically one or more light-emitting diodes 302 and 303 turns on, over a mask 304 on the photo detector line 107 are shown. By sequentially switching on the diodes 302 and 303 one or more shadow images are successively generated on the photodetector line. Thus, the function of the overall arrangement can be checked over all components. For contamination in the optical components can then z. B. the light output of the light-emitting diodes 104 and 105 be easily adjusted by appropriate increase of the control current. The failure of individual detectors of the photodiode array is noticed and can be compensated by arithmetic measures. During the entire operating time in which the measurements of the steering angle take place, it is possible with the present invention, by evaluating the rise and fall times of the signals accordingly 2 and their amplitude and mapping of the code 102 Not only to monitor the overall system in the sense of a diagnosis, but also to compensate for tolerances and to maintain the accuracy of almost all operating influences.

Dadurch, dass mit einer einzigen Fotodetektorzeile der Winkel im Bereich von 360° sehr schnell ausgewertet werden kann, ist das System durch einfaches Mitregistrieren der 360° Überschreitung für Winkel über 360° und damit für mehrere Umdrehungen geeignet. Um dies nicht nur für den Fahrbetrieb zu gewährleisten, muss das System im Standbybetrieb jeweils kurzzeitig eingeschaltet werden, wobei die Einschaltintervalle so gewählt werden, dass in diesem Intervall keine Lenkraddrehung größer 360° möglich ist.Thereby, that with a single photodetector line the angle in the range of 360 ° very much can be evaluated quickly, the system is simple Register the 360 ° transgression for angles over 360 ° and with it for many Turns suitable. In order to ensure this not only for driving, the system must be switched on for a short time in standby mode be, with the switch-on intervals are chosen so that in this Interval no steering wheel rotation greater than 360 ° is possible.

Da das System zur Datenübertragung eine Schnittstelle zum Fahrzeugrechner hat, kann natürlich von dort aus die Fahrzeuggeschwindigkeit übernommen werden, um den Nullbereich des Lenkwinkels zu definieren. Dies geschieht erfindungsgemäß dadurch, dass ab einer bestimmten Geschwindigkeit bei normalen Fahrzeugen kein Lenkwinkel über z. B. +/–90° von der Nullstellung aus fahrbar ist.There the system for data transmission has an interface to the vehicle computer, of course from there the vehicle speed are taken over to the zero range to define the steering angle. This happens according to the invention by that starting at a certain speed on normal vehicles no steering angle over z. B. +/- 90 ° from the Zeroing is mobile.

Zur Erhöhung der Winkelauflösung kann die Erfindung auch entsprechend 4 weitergebildet werden. Der Code auf dem Umfang 401 ist hier in einen oberen groben Bereich 402 zur Erkennung der 0°–360° und in einen feinen unteren Bereich 403 aufgeteilt. 4a zeigt einen Schnitt durch diese Anordnung. Auf die Fotodiodenzeile 107 wird zur Ermittlung des Grobwinkels die Codeseite 402 über die Licht emittierende Diode 405 beleuchtet und über die Optik 407 abgebildet. Daraufhin wird die Einteilung 403 mittels der Diode 406 beleuchtet und ein kleiner Abschnitt über die Optik 408 auf die Detektorzeile abgebildet. Dieser kleinere Ausschnitt kann wiederum einen Code beinhalten der +/–10° abdeckt. Beide Optiken werden z. B. durch die Blende 404 getrennt. Durch die Abbildung eines kleineren Ausschnittes kann die Auflösung und Genauigkeit entsprechend erhöht werden.To increase the angular resolution, the invention also according 4 be further educated. The code on the scope 401 is here in an upper rough area 402 to detect the 0 ° -360 ° and in a fine lower area 403 divided up. 4a shows a section through this arrangement. On the photodiode line 107 the code page is determined to determine the coarse angle 402 via the light emitting diode 405 illuminated and on the optics 407 displayed. Then the classification is 403 by means of the diode 406 lit and a small down cut over the optics 408 mapped to the detector line. This smaller section may in turn contain a code covering +/- 10 °. Both lenses are z. B. through the aperture 404 separated. By imaging a smaller section, the resolution and accuracy can be increased accordingly.

Claims (6)

Adaptiver Lenkwinkelsensor für Fahrzeuge, der zur Lenkwinkelbestimmung einen Code auf dem drehenden Teil benutzt und eine Fotodetektoranordnung aufweist, auf die der Code abgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine absolute Winkelbestimmung durch Auslesen der Kontrastinformation mittels eines Mikroprozessors (108) erfolgt, der sowohl die Winkellage des Codes als auch die Feinauflösung der Winkel durch die relative Lage des erkannten Codes zur Abbildung auf der Fotodetektoranordnung (107) ermittelt, und dass zugleich bei jeder Messung die Gesamtfunktion des Systems überprüft und angepasst wird.Adaptive steering angle sensor for vehicles, which uses a code on the rotating part for steering angle determination and has a photodetector arrangement, on which the code is mapped, characterized in that an absolute angle determination by reading the contrast information by means of a microprocessor ( 108 ), which determines both the angular position of the code and the fine resolution of the angles by the relative position of the recognized code for imaging on the photodetector arrangement (FIG. 107 ) and that at the same time the overall function of the system is checked and adjusted for each measurement. Adaptiver Lenkwinkelsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Überwachung der Systemfunktion auf die Fotodetektorzeile (107) mindestens ein Referenzschattenbild projiziert wird.Adaptive steering angle sensor according to claim 1, characterized in that for monitoring the system function on the photodetector line ( 107 ) at least one reference silhouette is projected. Adaptiver Lenkwinkelsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der absolute Winkelbereich bei n × 360° über die Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs ermittelt wird.Adaptive steering angle sensor according to claim 1 or 2, characterized in that the absolute angular range at n × 360 ° over the Driving speed of the vehicle is determined. Adaptiver Lenkwinkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erhöhung der Auflösung mindestens zwei unterschiedliche Abbildungen eines oder mehrerer Umfangcodes (402, 403) auf die Fotodetektorzeile (107) abgebildet werden.Adaptive steering angle sensor according to one of the preceding claims, characterized in that to increase the resolution at least two different images of one or more peripheral codes ( 402 . 403 ) on the photodetector line ( 107 ). Adaptiver Lenkwinkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erfassung des absoluten Lenkwinkels auch bei abgeschalteten Fahrzeugsystemen der Lenkwinkel durch kurzes Einschalten des Lenkwinkelsensors in Zeitintervallen, in denen keine Drehung größer 180° möglich ist, ermittelt wird.Adaptive steering angle sensor according to one of the preceding Claims, characterized in that for detecting the absolute steering angle also when the vehicle systems are switched off, the steering angle is short Switching the steering angle sensor in time intervals in which no Rotation greater than 180 ° is possible is determined. Adaptiver Lenkwinkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die auf der Fotodetektorzeile entstehenden Signale im Hinblick auf ihre Flankensteilheit und Abbildungsgröße ausgewertet werden, um optische und mechanische Toleranzen auszugleichen.Adaptive steering angle sensor according to one of the preceding Claims, characterized in that the signals produced on the photodetector line evaluated with regard to their edge steepness and image size to compensate for optical and mechanical tolerances.
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