DE19925434A1

DE19925434A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Detektion des Schrägeinbaus einer Navigationseinheit im Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE19925434A1
Application number: DE1999125434
Authority: DE
Inventors: Sabine Alt
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1999-06-02
Filing date: 1999-06-02
Publication date: 2000-12-21
Anticipated expiration: 2019-06-03
Also published as: DE19925434C2

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

Technisches Gebiet

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.

Stand der Technik

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.

Darstellung der Erfindung

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.

Zeichnung

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.

Ausführungsbeispiele

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 Φ_Y des Navigationssystems 3 um die Querachse des Fahrzeugs mißt, kann mit dem weiteren Beschleunigungssensor 19 eine Verkippung Φ_X (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.

Teileliste

1

Fahrzeug

2

Karosserie

3

Navigationssystem

4

Einbaulage

5

Drehratensensor (DRS)

6

Beschleunigungssensor B1

7

Gehäuse

8

Z_F

Fahrzeughochachse

9

X_F

Fahrzeuglängsachse

10

Z_N

sensitive Achse DRS

11

X_N

sensitive Achse B1

12

Schräglage Φ_Y

13

orthogonale Lage DRS-B

14

Erdschwere

15

Drehrate ω

16

Beschleunigungsvektor

17

Achsenabweichung Φ (wenn

10

senkrecht zu

11

)

18

Y_N

sensitive Achse B2

19

Beschleunigungssensor B 2

20

Schräglage Φ_X

21

Y_F

Fahrzeugquerachse

Claims

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 Φ_Y eine Schräglage Φ_Y (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 Φ_X (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.