DE19720846A1

DE19720846A1 - Berührungsloses Geschwindigkeitsmeßsystem für ein KFZ

Info

Publication number: DE19720846A1
Application number: DE1997120846
Authority: DE
Inventors: Eugen Dr Briemle; Manfred Dr Boheim; Werner Dr Kleinhempel
Original assignee: Daimler Benz Aerospace AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1997-05-17
Filing date: 1997-05-17
Publication date: 1998-11-19
Anticipated expiration: 2017-05-18
Also published as: DE19720846C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Geschwindigkeitsmeßsystem für ein Kraftfahrzeug, das die Fahrzeuggeschwindigkeit berührungslos mittels Mikrowellen unter Ausnutzung des Doppler-Prinzips gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 erfaßt.

Derartige Meßsysteme, bestehend aus zwei, an der Fahrzeugunterfläche orthogonal unter +45° und -45° zur Fahrzeuglängsrichtung angeordneten, Janus-Sensoren sind bekannt. Dabei hat jeder Janus-Sensor zwei einander entgegengesetzt angeordnete Strahlrichtungen, die von der Fahrzeugunterfläche aus die Fahrbahnoberfläche unter einem Neigungswinkel ausleuchten. Die Anordnung der Janus-Sensoren in +45° und -45° zur Fahrzeuglängsrichtung besitzt gegenüber einer Anordnung der Sensoren in 0° und 90° zur Fahrzeuglängsrichtung Vorteile. Die in der Praxis bei Kraftfahrzeugen auf tretenden Quergeschwindigkeiten sind normalerweise sehr viel kleiner als die Längsge schwindigkeiten. Doppler-Sensoren können aber leichter große Geschwindigkeiten messen als kleine. Je kleiner die Geschwindigkeit und damit die Dopplerfrequenz ist, um so stärker ist das Systemrauschen im Verhältnis zum Nutzsignal.

Noch schwerwiegender ist ein zweites Problem. Da sich die von den Antennen ausgehenden Mikrowellenstrahlen zwangsläufig senkrecht zur Ausbreitungsrichtung öffnen, würde die Fahrzeug-Längsgeschwindigkeit bei senkrecht zur Fahrtlängsrichtung ausgerichteten Sensoren starke Störsignale erzeugen, die die Nutzsignale verdecken können. Die Verwendung von Janus-Sensoren hat den bekannten Vorteil, daß der Nick-und Rollwinkel des Kraftfahrzeuges bestimmt werden und die ansonsten durch die Nick-und Rollbewegung verfälschten Geschwindigkeitsmeßwerte entsprechend korrigiert werden können.

Bekannte Meßsysteme messen die Geschwindigkeit nur an einem Punkt der Fahrzeug unterfläche. Dieses Meßverfahren hat den Nachteil, daß eine vollständige Erfassung des Bewegungszustandes eines Kraftfahrzeuges damit nicht möglich ist. Befindet sich z. B. ein Kraftfahrzeug ohne Hinterachslenkung in einer Kurvenfahrt, dann haben Punkte des Fahrzeugbodens, die sich unterhalb der Hinterachse befinden, so lange die Hinterachse nicht seitlich driftet, nur eine Geschwindigkeitskomponente in Fahrzeuglängsrichtung. Hingegen weisen andere Punkte des Fahrzeugbodens in Richtung zur Vorderachse zunehmend auch zusätzlich eine Quergeschwindigkeitskomponente auf. Auch wenn sich das Kraftfahrzeug um eine vertikale Achse dreht, die durch den meßtechnischen Refe renzpunkt des Meßsystems geht, kann diese Drehbewegung mit den bekannten Meß systemen nicht erfaßt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein berührungsloses Geschwindigkeitsmeß system für ein Kraftfahrzeug zu schaffen, das die Fahrzeuggeschwindigkeit mittels Mikrowellen unter Ausnutzung des Doppler-Prinzips vollständig, inklusive der Kompen sation von Nick-und Rollbewegungen, erfaßt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 2 gelöst. Eine Weiterbildung ist in dem Unteranspruch angegeben.

Die Erfindung löst diese Aufgabe vorteilhaft mit einer minimalen Anzahl von Sensoren. Erfindungsgemäß wird davon ausgegangen, daß infolge der Steifigkeit der Fahrzeug unterfläche an verschiedenen Stellen dieser Fläche gleiche Längsgeschwindigkeitskom ponenten und gleiche Nick- und Rollwinkel vorausgesetzt werden können.

Anhand der Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt die Fahrzeugunterfläche mit einer möglichen Anordnung der Mikro wellensensoren,

Fig. 2 zeigt für die Ermittlung der Fahrzeuggeschwindigkeit zugrundeliegende Definitionen von Geschwindigkeitskomponenten und Winkel,

Fig. 3a bis Fig. 3d zeigen die Definitionen von Neigungs-, Nick- und Rollwinkel und

Fig. 4 zeigt die geometrischen Zusammenhänge an einem zusätzlichen, einzelnen Mikrowellensensor.

Fig. 1 zeigt ein Beispiel für eine mögliche Positionierung der Mikrowellensensoren 1 bis 5 an der Fahrzeugunterfläche 6. Die Strahlrichtungen der einzelnen Sensoren sind mit Richtungspfeilen angegeben. Die beiden orthogonal zueinander angeordneten Janus-Sensoren kreuzen sich in ihren Mittelpunkten und dieser Kreuzungspunkt der Janus-Sensoren befindet im vorderen Bereich der Fahrzeugunterfläche 6 seitlich der Fahrzeuglängsachse 7. Zur besseren Übersichtlichkeit sind in Fig. 1 die beiden Janus-Sensoren jeweils als zwei einzelnen Mikrowellensensoren dargestellt. Die Fahrtrichtung für Geradeausfahrt ist mit dem einem Richtungspfeil 8 gekennzeichnet. Ein einzelner Mikrowellensensor 5 - kein Janus-Sensor - ist im hinteren Bereich der Fahrzeugunterfläche 6, ebenfalls seitlich der Fahrzeuglängsachse 7 angeordnet.

Für die erfindungsgemäße Lösung ist es unbedeutend, an welchen Positionen der Fahrzeugunterfläche 6 der Kreuzungspunkt der Janus-Sensoren und der einzelne Mikrowellensensor positioniert sind. Entscheidend ist ein bekannter Abstand zwischen den beiden Positionen und die Ausrichtung der einzelnen Mikrowellensen soren unter +45° oder -45° (oder ungefähr +45° und -45°) in Bezug auf die Fahrzeuglängsachse 7. So können sich beispielsweise beiden Positionen auf derselben Seite der Fahrzeuglängsachse 7 befinden, oder die Janus-Sensoren können sich im hinteren und der einzelne Mikrowellensensor 5 kann sich im vorderen Bereich der Fahrzeugunterfläche 6 befinden. Auch eine Anordnung aller Mikrowellensensoren allein im vorderen Bereich ist möglich. Eine Anordnung aller Mikrowellensensoren allein im hinteren Bereich ist zwar möglich, aber ungünstig in Bezug auf die Meßge nauigkeit. Ebenso ist es unbedeutend, ob sich die Janus-Sensoren in ihren Mittel punkten kreuzen oder in einem anderen Punkt der auf die Fahrzeugunterfläche projizierten Strahlrichtung. Insbesondere können die einzelnen Mikrowellensensoren 1 bis 4, die ein Januspaar bilden, auch so angeordnet werden, daß die projizierten Strahlrichtungen zu den in Fig. 1 dargestellten entgegengesetzt gerichtet sind.

Alle Mikrowellensensoren 1 bis 5 sind vorteilhaft unter demselben Neigungswinkel γ von der Fahrzeugunterfläche 6 weggeneigt, so daß sie mit ihrem jeweiligen Mikro wellenstrahl einen Bereich der Fahrbahnoberfläche 9 ausleuchten. Es ist dabei durchaus möglich und in bezug auf die Meßgenauigkeit sogar vorteilhaft, wenn dabei alle vier Mikrowellensensoren 1 bis 4 des doppelten Janussystems gleichzeitig den selben Fleck auf der Fahrbahn ausleuchten.

Aus den von den Mikrowellensensoren 1 bis 4 gemessenen Doppler-Frequenzen wird mit Hilfe eines Bordcomputers der Geschwindigkeitsvektor für den Referenz punkt 11 (Kreuzungspunkt) der beiden Janusköpfe ermittelt. Die theoretischen Zusammenhänge zur Berechnung dieses Geschwindigkeitsvektors unter Berück sichtigung von Nick- und Rollwinkeln sind dem Fachmann bekannt, so daß hier im wesentlichen nur die Gleichungen und die zugrundegelegten Winkeldefinitionen angegeben werden.

Fig. 2 definiert die der Rechnung zugrundegelegten Geschwindigkeitskomponenten und Winkel. Die vier Mikrowellensensoren 1 bis 4 sind mit Blickrichtungen von +45°, +135°, -45° und -135° relativ zur Fahrzeuglängsrichtung 10 montiert. Die Fahrzeug querrichtung 16 ist lotrecht zur Fahrzeuglängsrichtung 10 definiert. Die Blick richtungen der Mikrowellensensoren sind mit vom Referenzpunkt 11 der Sensoran ordnung ausgehenden Richtungspfeilen 12 bis 15 dargestellt. Oben im Bild befindet sich der Bug und unten das Heck des Fahrzeugs. Die Geschwindigkeit am Referenz punkt 11 ist durch den Vektor v angegeben. Der Winkel von der Fahrzeuglängsrich tung 10 zum Geschwindigkeitsvektor v ist mit β angegeben. Der Winkel β ist positiv, wenn der Geschwindigkeitsvektor v in mathematisch positiver Richtung von der Fahrzeuglängsrichtung weggedreht ist (Linksdrehung). Die vier Mikrowellensensoren messen die Komponenten v1 bis v4 des Geschwindigkeitsvektors v in ihrer jeweiligen Blickrichtung. Wenn das Fahrzeug vorwärts fährt, dann sind die Komponenten v1 und v4 positiv und die Komponenten v2 und v3 negativ. Die Längsgeschwindigkeit ist positiv, wenn sie nach vorn gerichtet ist. Die Quergeschwindigkeit ist positiv, wenn sie nach links gerichtet ist.

Die Lage der Fahrzeugunterfläche 6 kann in Bezug auf die Fahrbahnoberfläche 9 zeitlich veränderliche Nick- und Rollwinkel aufweisen. Diese Winkel beeinflussen das Doppler-Meßverfahren, da der Winkel der einzelnen Sensoren zur Fahrbahnoberfläche dadurch ebenfalls zeitlich veränderlich ist.

Die vorgenannten Winkel sind in Fig. 3a und Fig. 3b definiert. Wenn die Fahrzeugunter fläche 6 z. B. im Bugbereich des Fahrzeugs höher über der Fahrbahnoberfläche 9 positioniert ist als im Heckbereich, dann liegt ein Nickwinkel Ψ ungleich 0 vor. Wenn die Fahrzeugunterfläche 6 z. B. auf der rechten Fahrzeugseite höher über der Fahrbahn oberfläche 9 positioniert ist als auf der linken Fahrzeugseite, dann liegt ein Rollwinkel ρungleich 0 vor. Der Nickwinkel Ψ soll positiv gezählt werden, wenn der Bug des Fahrzeuges räumlich höher ist als das Heck. Der Rollwinkel ρ soll positiv gezählt werden, wenn das Fahrzeug mit Blick auf das Heck im mathematisch positiven Sinn (nach links) gedreht ist. Fig. 3a und Fig. 3b zeigen positive Nick- und Rollwinkel.

Der Nick- und der Rollwinkel werden bei dieser Sensoranordnung nur indirekt gemessen. Direkt gemessen werden Winkel Φ und σ, welche die Neigung des Fahrzeugs in Bezug auf die Achsen unter -45° und +135° bzw. +45° und -135° beschreiben. Diese Winkel sollen in der in Fig. 3c und Fig. 3d dargestellten Drehrichtung als positiv gezählt werden. D.h. der Winkel Φ ist positiv, wenn der Mikrowellensensor 3 (Blickrichtung 15) räumlich höher ist als der Mikrowellen sensor 1 (Blickrichtung 13) und der Winkel σ ist positiv, wenn der Mikrowellen sensor 4 (Blickrichtung 12) räumlich höher ist als der Mikrowellensensor 2 (Blickrichtung 14).

Alle Radarstrahlen sollen unter dem Neigungswinkel γ gemessen gegenüber der Fahrzeugunterfläche 6 nach unten gerichtet sein.

Dann folgt der Winkel Φ aus der impliziten Gleichung:

Der Winkel σ folgt aus der impliziten Gleichung:

Der Winkel β folgt aus der impliziten Gleichung:

Aus diesen Winkeln können der Rollwinkel ρ und der Nickwinkel Ψ berechnet werden:

Der Geschwindigkeitsbetrag kann aus einer der vier folgenden Gleichungen berechnet werden:

Die Geschwindigkeitskomponenten vl und vq in Fahrzeuglängsrichtung 10 und in Fahrzeugquerrichtung 16 folgen schließlich aus:

vl = v.cos(β), vq = v.sin(β).

Die Berechnung des Geschwindigkeitsvektors am Ort des einzelnen Mikrowellensen sors 5 erfolgt ebenfalls mit Hilfe des Bordcomputers. Dabei wird angenommen, daß infolge der Steifigkeit der Fahrzeugunterfläche 6 dort überall dieselbe Geschwindig keitskomponente vl in Fahrzeuglängsrichtung 10 auftritt. Die Geschwindigkeitskom ponente vqh in Fahrzeugquerrichtung 16 und der Winkel α des Geschwindigkeits vektors vh gegenüber der Fahrzeuglängsrichtung 10 lassen sich aus Fig. 4 wie folgt herleiten.

Fig. 4 zeigt am Ort des einzelnen Mikrowellensensors 5 die Definition des Winkels α und des Geschwindigkeitsvektors vh mit den Komponenten vl und vqh in Fahrzeug längsrichtung 10 und Fahrzeugquerrichtung 16. Die Komponente des Geschwindig keitsvektros vh in Blickrichtung des Mikrowellensensors 5 ist mit vmh bezeichnet. Die Blickrichtung des Mikrowellensensors 5 ist durch einen Richtungspfeil 17 gekenn zeichnet. Der Geschwindigkeitsvektor vh ist i.a. um den Winkel α gegenüber der Fahrzeuglängsrichtung 10 gedreht. Der Winkel α ist positiv, wenn vh in mathematisch positiver Richtung aus der Fahrzeuglängsrichtung 10 weggedreht ist (Linksdrehung). Der in Fig. 4 eingezeichnete Winkel α ist negativ. Wie voranstehend bereits erwähnt, muß, da das Fahrzeug in sich steif ist, die Komponente vl des Geschwindigkeitsvek tors vh in Richtung der Fahrzeuglängsrichtung 10 gleich sein mit der Komponente vl am Referenzpunkt 11 der vier Mikrowellensensoren 1 bis 4. Hingegen ist i.a. seine Komponente vqh in Fahrzeugquerrichtung 16 verschieden von der Komponente vq am Referenzpunkt 11 der vier Mikrowellensensoren 1 bis 4.

Die vom Mikrowellensensor 5 gemessene Komponente vmh in Blickrichtung des Sensors liest man aus den in Fig. 4 angegeben geometrischen Zusammenhängen ab zu

woraus sich die Komponente vqh in Fahrzeugquerrichtung 16 berechnen läßt zu:

vqh = vl-√2.vmh.

Schließlich folgt der Winkel α aus:

Mit der voranstehend beschreibenen Bestimmung der Geschwindigkeitsvektoren v und vh an den beabstandeten Referenzpunkten der Fahrzeugunterfläche 6 ist die Bewegung des Fahrzeuges vollständig bestimmt.

Claims

1. Geschwindigkeitsmeßsystem für ein Kraftfahrzeug, das die Fahrzeuggeschwindig keit mittels Mikrowellen unter Ausnutzung des Doppler-Prinzips erfaßt und dazu mindestens an einer Stelle der Fahrzeugunterfläche zwei orthogonal zueinander angeordnete Janus-Sensoren aufweist, deren jeweils zwei Mikrowellensensoren unter einem Neigungswinkel zur Fahrzeugunterfläche in zueinander entgegenge setzten Richtungen auf die Fahrbahnoberfläche strahlen, wobei die Anordnung der Janus-Sensoren in Bezug auf die Fahrzeuglängsrichtung in einem Winkel von etwa +/-45° ausgeführt ist und die von den einzelnen Mikrowellensensoren ermittelten Dopplerfrequenzen in einem Bordcomputer ausgewertet werden, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens an einer anderen Stelle der Fahrzeug unterfläche (6) ein zusätzlicher einzelner Mikrowellensensor (5) installiert ist, der eine unter +45° oder -45° oder +135° oder -135° oder ungefähr unter einem der vorgenannten Winkel gerichtete Komponente der Geschwindigkeit an dieser Stelle mißt.

2. Geschwindigkeitsmeßsystem für ein Kraftfahrzeug, das die Fahrzeuggeschwindig keit mittels Mikrowellen unter Ausnutzung des Doppler-Prinzips erfaßt und dazu mindestens an einer Stelle der Fahrzeugunterfläche zwei orthogonal zueinander angeordnete Janus-Sensoren aufweist, deren jeweils zwei Mikrowellensensoren unter einem Neigungswinkel zur Fahrzeugunterfläche in zueinander entgegenge setzten Richtungen auf die Fahrbahnoberfläche strahlen, wobei die Anordnung der Janus-Sensoren in Bezug auf die Fahrzeuglängsrichtung in einem Winkel von etwa +/-45° ausgeführt ist und die von den einzelnen Mikrowellensensoren ermittelten Dopplerfrequenzen in einem Bordcomputer ausgewertet werden, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens an einer anderen Stelle der Fahrzeug unterfläche (6) ein zusätzlicher einzelner Mikrowellensensor (5) installiert ist, der eine unter +90° oder -90° oder ungefähr unter einem der vorgenannten Winkel gerichtete Komponente der Geschwindigkeit an dieser Stelle mißt.

3. Geschwindigkeitsmeßsystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die vier Mikrowellensensoren (1 bis 4) des doppelten Janus-Sensors alle gleichzeitig den selben Fleck auf der Fahrbahn ausleuchten.