DE19925434A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Detektion des Schrägeinbaus einer Navigationseinheit im Kraftfahrzeug - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Detektion des Schrägeinbaus einer Navigationseinheit im KraftfahrzeugInfo
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Abstract
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verfahren zur Detektion der Einbaulage eines Navigationssystems (3) in einem Fahrzeug (1). Das Navigationssystem (3) umfaßt ein Ortungsmodul (5). Die Einbaulagenbestimmung des Ortungsmoduls (5) gegenüber der Fahrzeughochachse (8) erfolgt mit mindestens einer die Erdbeschleunigung g messenden Beschleunigungssensorik (6).
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur
Bestimmung der Einbaulage einer Navigationseinheit, beispielsweise in
genormten Einbauräumen von Kraftfahrzeugen wie Konsolen oder ähnliches.
In Navigationssystemen für Kraftfahrzeuge kommen Sensoren zum Einsatz, die
Bewegungen des Fahrzeuges im Raum detektieren. Um die Nordausrichtung eines
Fahrzeuges durch Integration über Drehrate zu bestimmen, wird beispielsweise die
Drehrate des Fahrzeuges in Fahrzeughochachse gemessen. Dabei ist die
Einbaulage des die Drehrate detektierenden Elements, des Drehratensensors
(DRS) sehr wichtig. Dessen Einbaulage ist bedingt durch Bestückungs- und
Fertigungstoleranzen und durch den Einbau der Navigationseinheit im Fahrzeug
zunächst nicht näher bekannt. Es können Schrägstellungen bis z. B. ca. 30°
auftreten.
Eine Möglichkeit zur Bestimmung der sensitiven, durch die Einbaulage des
sensitiven Elements bestimmten Achse gegenüber der tatsächlichen Hochachse
des Fahrzeugs, besteht in der Durchführung von Kalibriermaßnahmen,
beispielsweise einer Kalibrierfahrt. Dazu liegen Winkelinformationen aus einer
digitalen Karte oder aus einem Satelliten gestützten System, beispielsweise dem
GPS (Global Positioning System) vor. Aus einem Vergleich dieser
Winkelinformationen mit dem durch die Integration aus den DRS-Signalen
berechneten Winkel während einer Kalibrierfahrt kann ein Maß für die
unbekannte Schrägstellung abgeleitet werden. Zur Bestimmung der Schräglage der
Navigationseinheit und damit des Drehratensensors durch Kalibrieralgorithmen,
die sich auf Winkelinformationen aus der digitalen Karte oder des GPS stützen,
müssen direkt die Drehrateninformationen des Drehratensensors ausgewertet
werden. Dazu sind bestimmte Fahrsituationen erforderlich. Zur Anwendung des
Kalibrieralgorithmus' ist es beispielsweise erforderlich, daß das Fahrzeug eine
wesentliche Kurve (etwa um 180°) in horizontalem Gelände mit einer ausreichend
hohen Drehrate um die Fahrzeughochachse und möglichst geringen Drehraten um
die anderen Fahrzeugachsen durchfährt. Fehlen solche Fahrsituationen nach
Antritt der Fahrt, so kann dies zur Unbestimmbarkeit der Schieflage führen. Die
Navigationsergebnisse sind dann fehlerbehaftet; es kann zum Ausfall des
Navigationssystems kommen, beispielsweise zu einer Offroad-Situation. Die
Fehler wachsen bei unbekannter Schieflage sehr schnell an und beeinträchtigen
die Langzeitstabilität.
Ein anderer Ansatz ist die Vermeidung einer Schiefstellung der Navigationseinheit
durch entsprechende Einbauvorschriften oder durch eine besondere Mechanik.
Eine solche Mechanik wird nach Einbau des Gehäuses des Navigationssystems
aktiviert und richtet die Sensorik z. B. horizontal aus. Der Einsatz der
angesprochenen Mechanik ist wegen der erhöhten Kosten, dem Aufwand für die
Bediener sowie wegen möglicher Fehlbedienung nur schwer durchsetzbar. Auch
die Eingabe eines Winkels, der aus der Fahrzeugkonstruktion bekannt sein kann
und der entweder durch die Bediener im Handelsgeschäft oder während der
Produktion am Band bei der Erstausrüstung eingegeben werden kann, bedingt eine
unterschiedliche Vorgehensweise bei Handel und Erstausrüstung, was
Fehlerquellen, eine Variantenvielfalt und einen damit einhergehenden erheblichen
Kostenaufwand nach sich zieht.
Autonom arbeitende Systeme die eigenständig ihre Schräglage bestimmen, sind
bisher noch nicht realisiert. Ein solches autonom arbeitendes System ist
Gegenstand der vorliegenden Erfindung; hierbei sollen Beschleunigungssensoren
zur Bestimmung der Schräglage Verwendung finden.
Der wesentliche Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß nunmehr die
autonome Bestimmung der Schräglage des Navigationssystems möglich ist, ohne
daß auf eine digitale Karte oder ein Zusatzsystem wie das Global Positioning
System (GPS) zurückgegriffen werden muß. Ferner kann nunmehr die Schräglage
des Navigationssystems im Fahrzeug im Stillstand bestimmt werden, und die
Bestimmung ist fahrsituationsunabhängig möglich sowie schließlich wesentlich
genauer und fehlerrobuster. Die für die Kalibrieralgorithmen erforderlichen,
spezifischen Fahrsituationen sind entbehrlich. Das System wird dadurch auch
kundenfreundlicher, da der Fahrer nunmehr von einer Kalibrierfahrt befreit ist.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Gedankens
bestimmt die Beschleunigungssensorik den in ihrer sensitiven Achse liegenden
Beschleunigungsvektor. Verfügbare mikromechanische Beschleunigungssensoren
haben eine für die Problemstellung ausreichende Genauigkeit. Die Sensoren sind
als SMD (surface mounted device) auf Leiterplatten mit geringstem
Flächenbedarf standardbestückbar. Neben geringsten Kosten bedeutet dies auch
eine Implementierung mit hoher Qualitätssicherheit. Eine Justiermechanik für das
Navigationssystem oder den DRS in der Navigationseinheit wäre wesentlich
aufwendiger und damit viel teurer.
In vorteilhafter und einfacher Weise mißt der Beschleunigungssensor bei
Stillstand des Fahrzeugs einen Anteil der Erdschwere g. Daraus kann bei richtiger
Anordnung des Beschleunigungssensors besonders einfach der Winkel Φ
bestimmt werden, um den das Navigationssystem, bezogen auf die Ebene der
Fahrzeugkarosserie geneigt eingebaut ist, sofern das Fahrzeug horizontiert
ausgerichtet ist.
Bevorzugt wird als Ordnungsmodul ein Drehratensensor (DRS) eingesetzt; in
bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung liegen der Drehratensensor sowie
mindestens ein Beschleunigungssensor in orthogonaler Lage zueinander, so daß
zwischen der sensitiven Achse des Beschleunigungssensors und der Ebene der
Fahrzeugkarosserie liegende Winkel Φ - d. h. die zu detektierte Schräglage - der
Verkippung der sensitiven Achse des DRS bezogen auf die Fahrzeughochachse
entspricht. Die Bestimmung der Schräglage der Navigationseinheit - und damit die
Abweichung der sensitiven Achse des Ortungsmoduls von der tatsächlichen
Fahrzeughochachse, sollte gleich nach Einbau der Navigationseinheit entweder
am Band während der Herstellung des Fahrzeuges oder in einer Fachwerkstatt bei
horizontiert stehendem Fahrzeug vorgenommen werden. Der Zeitaufwand zur
Bestimmung der Einbaulage des Navigationssystems ist äußerst gering; damit ist
das System schneller verfügbar als beispielsweise bei der Bestimmung der
Einbaulage des Navigationssystems durch Auswertung von Drehratensignalen und
außerdem sehr bedienerfreundlich.
Aufgrund der geringen Baugröße heute verfügbarer mikromechanischer
Sensorelemente kann die Beschleunigungssensorik in unmittelbarer Nähe des
Ortungsmodules am Navigationssystem untergebracht werden.
Mittels eines weiteren, dem Ortungsmodul zugeordneten Beschleunigungssensors
läßt sich ein einbaubedingtes Verkippen des Navigationssystems auch um die
zweite Fahrzeugachse detektieren. Dies kann beispielsweise bei Einbau des
Navigationssystems im hinteren Fahrzeugteil, etwa im Kofferraum auftreten, wo
Verkippungen um beide Fahrzeugachsen (Längs- und Querachse) leicht möglich
sind. Aus beiden Verkippungsinformationen kann der Winkel zwischen sensitiver
Achse des DRS und der Fahrzeughochachse bestimmt werden.
Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Navigationssystem für ein Fahrzeug mit
einem Ortungsmodul, welches die Bewegung des Fahrzeugs um die Hochachse
detektiert, wobei das Navigationssystem ein Ortungsmodul und mindestens einen
Beschleunigungssensor in dazu orthogonaler Lage enthält. In vorteilhafter Weise
kommt als Ortungsmodul ein Drehratensensor zum Einsatz, während als
Beschleunigungssensorik solche Sensoren eingesetzt werden, die eine
ausreichende Offsetstabilität aufweisen.
Verfahren und Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung lassen sich
besonders vorteilhaft bei Fahrzeugen, insbesondere in Kraftfahrzeugen einsetzen.
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend detaillierter erläutert.
Fig. 1 zeigt in schematische Weise ein in einer bestimmten vorgegebenen
Einbauweise in ein Kraftfahrzeug eingebautes Navigationssystem.
Fig. 2 zeigt eine weitere Einbaulage, wobei die in Fig. 1 und Fig. 2 skizzierten
Schrägstellungen auch gleichzeitig auftreten können.
Die Darstellung gemäß Fig. 1 zeigt in sehr schematischer Wiedergabe einen Teil
der Karosserie 2 eines Kraftfahrzeuges 1. Ein Navigationssystem 3, dessen weitere
Komponenten und Anschlüsse aus Gründen der Vereinfachung hier nicht
dargestellt sind, kann in der gezeigten Einbaulage 4 beispielsweise in den nach
DIN genormten Schacht einer Mittelkonsole im Fahrzeug aufgenommen sein. Das
Navigationssystem 3 enthält ein Ortungsmodul 5, sowie einen
Beschleunigungssensor 6. Die Abmessungen heute verfügbarer
mikromechanischer Sensoren gestatten es, solche Sensoren 6 in unmittelbarer
Nähe des Ortungsmoduls 5 im Navigationssystem 3 unterzubringen.
Bedingt durch die Einbaulage 4 des Gehäuses 7 des Navigationssystems 3 ist die
sensitive Achse 10 des Ortungsmoduls 5, vorzugsweise ein Drehratensensor, zur
Fahrzeughochachse 8 geneigt und zwar um die Achsenabweichung 17 bezogen
auf die Fahrzeughochachse 8. Der in vorzugsweise orthogonaler Lage 13 zum
Ortungsmodul 5 positionierte Beschleunigungssensor 6 weist eine sensitive
Achse 11 auf, die parallel zu den Längsachsen des Gehäuses 7 des
Navigationssystems 3 verläuft und um die Schräglage Φ (Bezugszeichen 12) von
der Längsachse 9 des Fahrzeuges 1 abweicht. Gemäß des erfindungsgemäßen
Verfahrens - bei Stillstand des Fahrzeuges 1 für nur wenige Sekunden - mißt der
Beschleunigungssensor 6 den Anteil sin Φ der Erdschwere g (14). Aus diesem
Anteil sin Φ kann in einfacher Weise die Schräglage 12 des Navigationssystems 3
errechnet werden, bezogen auf die Längsachse 9 des Kraftfahrzeuges 1. Bei
orthogonaler Lage 13 vom Ortungsmodul 5 und Beschleunigungssensor 6
entspricht die Schräglage 12, dem Winkel Φ der Abweichung zwischen der
tatsächlichen Fahrzeughochachse 8 und der sensitiven Achse 10, um welche
jedoch die Drehrate ω (Bezugszeichen 15) bestimmt wird. Die Abweichung 17,
also der Winkel Φ ist ein Maß für die Abweichung einer mittels eines
Drehratensensors 5 gemessenen Drehrate 15, von der Drehung des Fahrzeuges 1
um seine tatsächliche Hochachse 8.
Die Ermittlung der Schräglage Φ, die Abweichung zwischen sensitiver Achse 10
des Ortungsmoduls 5 und der tatsächlichen Hochachse 8 des Fahrzeuges 1 kann
innerhalb weniger Sekunden erfolgen. Das Fahrzeug 1 muß lediglich in
horizontalem Gelände für einige Sekunden stillstehen, vorzugsweise erfolgt dies
direkt nach dem Einbau; sollte der Datenspeicher des Navigationssystems 3
versehentlich gelöscht worden sein, so kann auf einfache Weise erneut eine
Schräglagenbestimmung durchgeführt werden. Dies erfolgt unabhängig von
weiteren Navigationshilfen wie den bereits angesprochenen digitalen Karten oder
dem Global Positioning System (GPS) und ohne daß das Fahrzeug bewegt werden
muß (z. B. Referenzfahrt um 180°).
Gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels (Fig. 2) des Gegenstandes der
vorliegenden Erfindung kann das Navigationssystem 3 auch im rückwärtigen Teil
des Fahrzeuges 1, beispielsweise im Kofferraum untergebracht werden. Um ein
Verkippen des Navigationssystems 3 um die Fahrzeuglängsachse 9 zu detektieren,
kann in diesem Ausführungsbeispiel am Ortungsmodul 5 ein weiterer
Beschleunigungssensor 19 vorgesehen werden - im wesentlichen in Richtung der
Querachse des Navigationssystems 3 orientiert. Dessen sensitive Achse 18, in
Fig. 2 seitlich eingezeichnet - steht senkrecht zur sensitiven Achse 10 des
Ortungsmoduls 5 und auch senkrecht zur sensitiven Achse 11 des bereits
vorhandenen Beschleunigungssensors 6. Ähnlich wie der
Beschleunigungssensor 6 die Verkippung ΦY des Navigationssystems 3 um die
Querachse des Fahrzeugs mißt, kann mit dem weiteren Beschleunigungssensor 19
eine Verkippung ΦX (20) des Navigationssystems 3 um die Fahrzeuglängsachse
durch Messung des Anteils der Erdschwere g detektiert werden.
Somit kann auch eine solche Verkippung des Navigationssystems 3 um die
Fahrzeuglängsachse 9 detektiert werden, ohne daß es einer aufwendigen zu
kalibrierenden oder nur in einer Fachwerkstatt zu wartenden Horizontiermechanik
bedürfte, die zudem auch erheblich teurer wäre und eine Variantenvielfalt
hervorruft. Bei gleichzeitiger Verwendung zweier Beschleunigungssensoren kann
auch eine gleichzeitige Verkippung um Fahrzeuglängs- und -quersachse bestimmt
und die interessierende Abweichung von Fahrzeughochachse und sensitiver Achse
des Drehratensensors errechnet werden.
Die Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens und der
erfindungsgemäßen Vorrichtung zeichnen sich dadurch aus, daß eine Bestimmung
der Einbaulage eines Navigationssystems 3 bei Stillstand des Fahrzeuges 1
möglich ist - unabhängig von der Fahrsituation und vom Fahrstil des Fahrers. Die
Bestimmung der Schräglage des Navigationssystems im Stillstand bedarf eines
wesentlich geringeren Zeitaufwandes, erfordert nur ein horizontales Gelände. Die
Voraussetzung für eine korrekte Navigation ist so wesentlich genauer und
einfacher erhältlich verglichen mit der Methode der Bestimmung der Schräglage
über die Auswertung der Signale des Drehratensensors, während z. B. einer
Referenzfahrt. Die beschriebene Verfahrensweise gestattet eine weitgehende
Unabhängigkeit von weiteren Navigationssystemen, wie beispielsweise dem
Global Positioning System (GPS) oder einer digitalen Karte. Das beschriebene
System kann sowohl zur Fahrzeugerstausstattung als auch zur Nachrüstung über
den Fachhandel eingesetzt werden, da es insbesondere bei Nachrüstung über den
Fachhandel keiner Justage oder Kalibrierung bedarf.
Neben der Bestimmung der Schräglage des Navigationssystems 3 kann der oder
die Beschleunigungssensoren 6, 19 auch für weitere navigationsrelevante
Informationen genutzt werden. Bei Ausstattung der Navigationseinheit 3 mit einer
Schnittstelle für Sensorsignale könnten die Meßwerte von anderen
Fahrzeugsteuer- und Kontrollsystemen (z. B. ABS, Airbag,
Zündaussetzererkennung) genutzt werden. Das vorgeschlagene System ist durch
seine Einfachheit extrem kostengünstig, da die mikromechanischen
Beschleunigungssensoren heute in Großserien und als surface mounted device
(SMD) zu geringsten Preisen verfügbar und einsetzbar sind. Bei Einsatz von
Beschleunigungssensoren zur Schräglagendetektion steht das Navigationssystem 3
sofort nach Einbau mit Maximalgenauigkeit zur Verfügung. Das
Navigationssystem 3 ist vollständig autonom, d. h. unabhängig von beispielsweise
der Disziplin des Fahrers während einer sonst notwendigen Referenzfahrt.
1
Fahrzeug
2
Karosserie
3
Navigationssystem
4
Einbaulage
5
Drehratensensor (DRS)
6
Beschleunigungssensor B1
7
Gehäuse
8
ZF
Fahrzeughochachse
9
XF
Fahrzeuglängsachse
10
ZN
sensitive Achse DRS
11
XN
sensitive Achse B1
12
Schräglage ΦY
13
orthogonale Lage DRS-B
14
Erdschwere
15
Drehrate ω
16
Beschleunigungsvektor
17
Achsenabweichung Φ (wenn
10
senkrecht zu
11
)
18
YN
sensitive Achse B2
19
Beschleunigungssensor B 2
20
Schräglage ΦX
21
YF
Fahrzeugquerachse
Claims (12)
1. Verfahren zur Detektion der Einbaulage eines Navigationssystems (3) in
einem Fahrzeug (1), wobei das Navigationssystem (3) ein
Ortungsmodul (5) umfaßt,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Einbaulagenbestimmung des Navigationssystems (3) gegenüber der
Fahrzeughochachse (8) mittels einer die Erdbeschleunigung messenden
Beschleunigungssensorik (6) erfolgt.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Beschleunigungssensorik (6) den in der sensitiven Achse (11) des
Beschleunigungssensors (6) liegenden Anteil sin Φ der
Erdbeschleunigung g (14) bestimmt.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
die sensitive Achse (10) des Ortungsmoduls (5) und die sensitive
Achse (11) der Beschleunigungssensorik (6) in orthogonaler Lage (13)
zueinander positioniert sind.
4. Verfahren gemäß Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
aus dem Anteil sin ΦY eine Schräglage ΦY (12) bestimmt wird, die im
wesentlichen einer Achsenabweichung (17) zwischen der Hochachse (8)
des Fahrzeuges (1) und der sensitiven Achse (10) eines
Ortungsmoduls (5) bei horizontiertem Fahrzeug (1) entspricht.
5. Verfahren gemäß Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Ortungsmodul (5) als Drehratensensor (DRS) ausgebildet ist.
6. Verfahren gemäß Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
eine Verkippung des Navigationssystems (3) um die
Fahrzeuglängsachse (9) durch eine weitere
Beschleunigungssensorik (19) detektierbar ist, die senkrecht zu den
sensitiven Achsen (10, 11) positioniert ist.
7. Verfahren gemäß Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß
die sensitive Achse (18) des weiteren Beschleunigungssensor (19)
senkrecht zu den sensitiven Achsen (10, 11) verläuft.
8. Verfahren gemäß Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß
die weitere Beschleunigungssensorik (19) eine Schräglage ΦX (20) des
Fahrzeuges (1) um die Fahrzeuglängsachse (9) detektiert, die im
wesentlichen der Abweichung der sensitiven Achse (10) des
Ortungsmoduls (5) bezogen auf die Fahrzeughochachse (8) entspricht.
9. Navigationssystem für ein Fahrzeug mit einem Ortungsmodul (5),
welches die Bewegung des Fahrzeuges (1) um die Hochachse (8)
detektiert,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Navigationssystem (3) ein Ortungsmodul (5) und mindestens einen
dazu in orthogonaler Lage (13) angeordnete Beschleunigungssensorik (6)
enthält.
10. Navigationssystem gemäß Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Ortungsmodul (5) ein Drehratensensor (DRS) ist.
11. Navigationssystem gemäß Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Beschleunigungssensorik (6) eine ausreichende Offsetstabilität
aufweist.
12. Fahrzeug mit einem Navigationssystem (3), welches ein
Ortungsmodul (5) enthält, das die Bewegung des Fahrzeugs (1) um die
Hochachse (8) detektieren soll,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Navigationssystem (3) ein Ortungsmodul (5) enthält, dessen sensitive
Achse (10) einbaubedingt von der Fahrzeughochachse (8) abweicht und
die Einbaulage (4) des Navigationssystems (3) mit mindestens einem
dem Ortungsmodul (5) zugeordneten Beschleunigungssensor (6)
detektierbar ist.
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DE1999125434 DE19925434C2 (de) | 1999-06-02 | 1999-06-02 | Navigationssystem und Verfahren zur Detektion der Einbaulage eines Navigationssystems im Kraftfahrzeug |
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DE1999125434 DE19925434C2 (de) | 1999-06-02 | 1999-06-02 | Navigationssystem und Verfahren zur Detektion der Einbaulage eines Navigationssystems im Kraftfahrzeug |
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ID=7910125
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