DE2922414A1

DE2922414A1 - Kurs-lage-referenzgeraet

Info

Publication number: DE2922414A1
Application number: DE19792922414
Authority: DE
Inventors: Karl Uwe Krogmann
Original assignee: Bodenseewerk Geratetechnik GmbH
Current assignee: Bodenseewerk Geratetechnik GmbH
Priority date: 1979-06-01
Filing date: 1979-06-01
Publication date: 1980-12-11
Also published as: GB2054145A; GB2054145B; FR2458051A1; DE2922414C2; FR2458051B1

Description

PATENTANWÄLTE Dipl.-Phys. JÜRGEN WEISSE · Dipl.-Chem. Dr. RUDOLF WOLGAST

BÖKENBUSCH41 · D 5620 VELBERT 11-LANGENBERG Postfach 110386 · Telefon: (02127) 4019 · Telex: 8516895

29224U

Patentanmeldung Bodenseewerk Gerätetechnik GmbH, D-7770 Überlingen/Bodensee Kurs-Lage-Referenzgerät

Die Erfindung betrifft ein Kurs-Lage-Referenzgerät zur Bestimmung von Kurs und Lage eines Fahrzeuges, enthaltend: drei Drehgeschwindigkeitsfühler, welche auf die Drehgeschwindigkeiten um drei zueinander senkrechte, fahrzeugfeste Eingangsachsen ansprechen, zwei Beschleunigungsmesser, deren fahrzeugfeste zueinander senkrechte Eingangsachsen parallel zu den Eingangsachsen zweier Drehgeschwindigkeitsfühler sind, und einen Rechner, dem die Signale der Drehgeschwindigkeitsfühler und der Beschleunigungsmesser zugeführt werden, zur Erzeugung von Signalen entsprechend Transformationsparametern zwischen einem fahrzeugfesten und einem erdfesten Koordinatensystem sowie des Kurswinkels in dem erdfesten Koordinatensystem.

Durch die DE-OS 2 741 274 ist ein Kurs-Lage-Referenzgerät für Landfahrzeuge bekannt, bei welchem ein Kreisel mit im wesentlichen horizontaler Drallachse mit zwei Freiheitsgraden kardanisch aufgehängt ist. Auf einer zur Fahrzeugquerachse parallelen Achse sitzt ein Lagegeber und ein Drehmomenterzeuger. Ein weiterer Lagegeber und ein Drehmomenterzeuger sitzen auf einer zur Hochachse des Fahrzeugs parallelen Achse. Das Signal des Lagegebers auf der ersten Achse ist überkreuz verstärkt auf den Drehmomenterzeuger der zweiten Achse geschaltet, und umgekehrt

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ist das Signal des Lagegebers auf der zweiten Achse verstärkt auf den Drehmomenterzeuger der ersten Achse geschaltet. Dadurch ist der Kreisel elektrisch an seine Ruhelage gefesselt. Die den Drehmomenterzeugern zugeführten Signale sind proportional den Drehgeschwindigkeiten um die Quer- bzw. Hochachse des Fahrzeugs. Es sind weiterhin zwei Beschleunigungsmesser vorgesehen, deren Eingangsachsen parallel zur Querachse bzw. parallel zur Längsachse des Fahrzeugs verlaufen. Diese Beschleunigungsmesser liefern Beschleunigungsmessersignale an einen Rechner, aus denen dieser eine Lageinformation, d.h. Nick- und Rollwinkel des Fahrzeugs gewinnt. Aus diesem Nick- und Rollwinkel bestimmt der Rechner Elemente der Richtungskosinusmatrix. Mit den so gewonnenen Elementen der Richtungskosinusmatrix werden die von den Kreisel gelieferten, hinsichtlich der Erddrehung berichtigten Drehgeschwindigkeitssignale zur Bildung von Signalen linearkombi-

• _ · niert, welche den Zeitableitungen C₁₁ und C--, von Elementen der Richtungskosinusmatrix entsprechen. Diese letzteren Signale werden zeitlich integriert und das Verhältnis der Integrale liefert den Arcusstangens des wahren, d.h. auf ein erdfestes Koordinatensystem bezogenen Kurswinkels.

Bei dieser bekannten Anordnung werden Nick- und Rollwinkel nur aus den Beschleunigungsmessersignalen hergeleitet. Es wird dabei vorausgesetzt, daß die Beschleunigungsmessersignale nur durch Komponenten der Erdbeschleunigung hervorgerufen werden. Diese Voraussetzung ist nicht gegeben, wenn das Fahrzeug gegenüber Grund beschleunigt wird.

Es ist weiterhin ein Navigationsgerät bekannt (Patentanmeldung P 28 18 202.7), bei welchem die Position eines Fahrzeugs aus dem Kurs und der mittels eines Geschwindigkeitsgebers gemessenen Geschwindigkeit bestimmt wird. Auch dort ist eine Trägheitsmeßeinheit nach Art der DE-OS 2 741 274 mit einem elektrisch gefesselten, zweiachsigen Kreisel und einem Paar von Beschleunigungsmessern vorgesehen. Die Signale der Trägheitsmeßeinheit

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_t- 29224U

sind auf einen Transformationsparameterrechner aufgeschaltet, der zur Berechnung von Transformationsparametern zur Transformation von Vektorkomponenten von einem fahrzeugfesten Koordinatensystem in ein erdfestes Koordinatensystem eingerichtet ist. Aus den Transformationsparametern werden diejenigen Anteile der Beschleunigungsmessersignale ermittelt, die auf die Schwerkraft zurückzuführen sind, so daß Translationsbeschleunigungssignale entsprechend der rein Newtonschen Beschleunigung des Fahrzeugs gewonnen werden. Diese Translationsbeschleunigungssignale werden zeitlich integriert und liefern so inertiale Geschwindigkeitssignale. Die inertialen Geschwindigkeitssignale werden zusammen mit den Geschwindigkeitssignalen von dem Geschwindigkeitsgeber einem Optimalfilter zugeführt, welches daraus ein optimiertes Geschwindigkeitssignal bezogen auf fahrzeugfeste Koordinaten erzeugt. Dieses optimierte Geschwindigkeitssignal wird mit Hilfe der Transformationsparameter in ein erdfestes Koordinatensystem transformiert. Ein Positionsrechner berechnet daraus die Position des Fahrzeugs.

Die Patentanmeldung P 28 18 202.4 sieht weiterhin vor, daß von dem Optimalfilter Transformationsparameter-Korrektursignale auf den Transformationsparameter-Rechner aufgeschaltet sind.

Die Bestimmung der Lagewinkel erfolgt bei der Patentanmeldung P 28 18 202.4 nach Art der DE-OS 2 741 274. Die Lagewinkel bzw. die Transformationsparameter werden jedoch-in dort nicht im einzelnen dargestellten Weise-durch das Optimalfilter korrigiert, wobei auch Newtonsche Beschleunigungen berücksichtigt werden. Eine solche Lösung erfordert jedoch ein Optimalfilter hoher Ordnung, das relativ kompliziert ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kurs-Lage-Referenzgerät der eingangs definierten Art so aufzubauen, daß es den Kurs und die Transformationsparameter für eine Transfor-

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_ S_

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mation aus einem fahrzeugfesten Koordinatensystem in ein erdfestes Koordinatensystem unbeeinflußt von Newtonschen Beschleunigungen des Fahrzeugs gegenüber Grund liefert.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß

(a) der Rechner zur Erzeugung von Signalen

• FF

^C31 ^=C32 "ζ - ^C33 %

^32 ^{= C}33 ^ωχ - °3ΐ^ωζ
eingerichtet ist, wobei

C-J₁ , CU₂, C-,., die Elemente der letzten Zeile der Richtungskosinusatrix,

β ο

C,., C-J₂ die zugehörigen Zeitableitungen

F
ω die Drehgeschwindigkeit um eine Ein-

^x F

gangsachse χ im fahrzeugfesten Koordinatensystem,

F die Drehgeschwindigkeit um die zweite

F Eingangsachse y im fe

Koordinatensystem und

^ων F

* Eingangsachse y im fahrzeugfesten

F
ω die Drehgeschwindigkeit um die dritte

Eingangsachse ζ im fahrzeugfesten Koordinatensystem ist,

(b) Die Signale C₃₁ und C₃₂ zur Bildung von Signalen C₃₁ bzw. C₃₂ durch den Rechner zeitlich integriert werden,

(c) der Rechner weiterhin aus den so erhaltenen Signalen C₃₁ und C_{5 0} ein Signal ,-

C =\/i-C-C 33 V 31 32

bildet,

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(d) die Signale C₃ , C₃₂ und C₃₃ wiederum zur Bildung von C₃₁ und C₃2 aus den Drehgeschwindigkeitssignalen auf den Rechner zurückgeführt sind,

(e) aus den so erhaltenen Signalen C₃₁, C₃₂, C₃₃ sowie den Drehgeschwindigkeitssignalen ω und ω Signal

ψ = i c _WF + c

-1- .1-1 Λ*

^C32 ^

f¹"^:"

gebildet und

(f) dieses Signal durch den Rechner zur Bildung eines den Kurswinkel φ im erdfesten Koordinatensystem wiedergebenden Signals zeitlich integriert wird.

Nach der Erfindung werden somit die Transformationsparameter

FFF

ausschließlich aus den Drehgeschwindigkeiten ω ω ω _um di._e

χ y ζ

fahrzeugfesten Koordinatenachsen, also unabhängig vom Einfluß Newtonscher Beschleunigungen abgeleitet. Die Anfangswerte C₃-(O) und C₃₁(0) für die Integration können nach der Lehre der DE-OS 2 741 274 oder der gleichzeitig eingereichten Patentanmeldung "Gerät zur automatischen Bestimmung der Nordrichtung in einem Fahrzeug" bestimmt werden.

Die so erhaltenen Transformationsparameter und der Kurswinkel zeigen in der Praxis eine Drift, die zu unzulässigen Fehlern führt, wenn die Kreisel nicht sehr hohen Anforderungen genügen. Um ein solches Kurs-Lage-Referenzgerät mit Kreiseln aufbauen zu können, an die weniger hohe Anforderungen gestellt werden und die daher billiger sind, ist in weiterer Ausbildung der Erfindung vorgesehen, daß

(g) die Signale C,„ und C^₁ multipliziert mit der Erdbe-

F F schleunigung g den Signalen A bzw. A der Beschleuni-

y ^x

gungsmesser überlagert sind,

030050/0 228 _₆_

(h) den Signalen der Beschleunigungsmesser je ein weiteres Signal überlagert ist,

(i) die Signale der Beschleunigungsmesser mit den jeweils überlagerten Signalen zur Bildung von inertialen Geschwindigkeitssignalen zeitlich integriert werden,

(j) wenigstens ein Geschwindigkeitsgeber vorgesehen ist, welcher ein Geschwindigkeitssignal nach Maßgabe der Komponente der Fahrzeuggeschwindigkeit in Richtung der Eingangsachse eines Beschleunigungsmessers liefert,

(k) dem von dem betreffenden Beschleunigungsmesser abgeleiteten inertialen Geschwindigkeitssignal das Geschwindigkeitssignal von dem Geschwindigkeitsgeber mit entgegengesetztem Vorzeichen zur Bildung eines Differenzsignals überlagert ist,

(1) das Differenzsignal multipliziert mit einem zeitabhängigen Faktor K (t) das besagte weitere, dem Signal des Beschleunigungsmessers überlagerte Signal bildet und

(m) das Differenzsignal weiterhin dem C₃--bzw. C₃₁-Signal mit einem-zeitabhängigen Faktor K (t) überlagert ist.

Der Kurs kann weiterhin dadurch gestützt werden, daß

(n) einem durch Integration des ψ .^-Signals gewonnenen inertialen Kurssignal ψ _T das die Richtung des Erdmagnetfeldes wiedergebende Signal ψ _M mit entgegengesetztem Vorzeichen zur Bildung eines Differenzsignals ( Φ,- Φ_Μ) überlagert ist.

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ORIGINAL INSPECTED

.^. 292241A

(ο) diesem Differenzsignal Ψ..- ψ ein erstes Signal Δψ_Μ mit gleichem und ein zweites Signal Δ ψ mit entgegensetztem Vorzeichen überlagert ist,

(ρ) das erste Signal Δ ψ durch zeitliche Integration der so überlagerten Signale mit einem ersten zeitabhängigen Faktor K₁(t) erzeugt wird,

(q) die überlagerten Signale weiterhin mit einem zweiten zeitabhängigen Faktor K₉(t) multipliziert und zur Erzeugung des Schätzwertes D für die Kursdrift zeitlich integriert werden,

(r) die überlagerten Signale mit einem dritten zeitabhängigen

Faktor multipliziert, dem Schätzwert D für die Kreisel-

drift überlagert und so zur Erzeugung des zweiten Signals

Δ ψ j zeitlich integriert werden,

wobei das den Schätzwert D für die Kursdrift darstellende Signal gleichzeitig dem ψ -Signal vor der Integration desselben überlagert ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm und veranschaulicht

das Gesamtsystem eines Navigationsgerätes, bei welchem das Kurs-Lage-Referenzgerät angewandt wird.

Fig. 2 ist eine schematisch-perspektivische Darstellung des Fahrzeugs und veranschaulicht den Aufbau und die Anordnung der verschiedenen Fühler.

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ORIGINAL INSPECTED

-JBr-

Fig. 3 veranschaulicht die gegenseitige Lage des

fahrzeugfesten und des erdfesten Koordinatensystems .

Fig. 4 zeigt im einzelnen den Aufbau der Trägheitsmeßeinheit.

Fig. 5 zeigt den Aufbau des Rechners für die Transformationsparameter .

Fig. 6 zeigt den Aufbau des Rechners für die Erzeugung des Kurswinkelsignals.

Fig. 7 zeigt den Aufbau des Rechners für die Schätzung der Kursdrift.

Fig. 8 zeigt den Aufbau eines Filters zur Messung

eines Richtungskosinus aus dem Beschleunigungsmessersignal und dem Geschwindigkeitssignal, wie es auch in Figur 5 benutzt wird.

Fig. 9 zeigt eine vereinfachte Abwandlung des Rechners von Figur 6.

Das Navigationssystem enthält Magnetfeldsensoren 10,12,14 für

τ? τ? τ?
die Komponenten G , G , G₁₇ des Erdmagnetfeldes. Die Magnet-

X y L·

feldsensoren sind sog. "Fluxgates". Diese Magnetfeldsensoren 10,12 und 14 sind so an dem Fahrzeug 16 (Figur 2) angeordnet, daß sie auf die Komponenten des Erdmagnetfeldes längs der

F F

Fahrzeuglängsachse χ , der Fahrzeugquerachse y bzw. der

F
Fahrzeughochachse ζ ansprechen. Sie liefern somit die Komponenten des Erdmagnetfeldes in einem fahrzeugfesten Koordinatensystem. In Figur 1 sind die Magnetfeldsensoren 10,12,14 durch den Block 18 dargestellt.

030050/0228

Es sind ferner Fühler für die Drehgeschwindigkeiten w , w ,

F FF F^X

w um die fahrzeugfesten Koordinatenachsen χ , y , ζ vorgesehen. Diese sind in dem Blockdiagramm von Figur 1 durch die Fühler 20,22 und 24 dargestellt. In der Praxis werden die Fühler 22 und 24 von einem zweiachsigen Wendekreisel 26 (Figur 2) gebildet. Dieser Wendekreisel 26 kann nach Art der DE-OS 2 741 274 aufgebaut sein. In der dargestellten Lage des Wendekreisels 26 ist die Drallachse H parallel zur Fahrzeug-

F
längsachse χ . Die beiden Eingangsachsen 28 und 30 sind

F F

parallel zur Fahrzeugquerachse y bzw. Fahrzeughochachse ζ . Der dritte Fühler 20 ist, ein Drehbeschleunigungsmesser 32 mit einem nachgeschalteten Integrator 34 (Figur 4). Der Wendekreisel 26 ist in einem fahrzeugfesten Rahmen 36 um die zur Fahrzeugquerachse parallele Eingangsachse 28 verschwenkbar gelagert. Er kann durch einen Stellmotor 38 aus einer Betriebsstellung "Nordung", bei welcher die Drallachse H senkrecht steht, um in die dargestellte Betriebsstellung "Kurs-Lage-Referenzgerät" verschwenkt werden, wie das in der DE-OS 2 741 274 beschrieben ist. Die Bewegung des Stellmotors 38 wird durch einen Winkelgeber 40 überwacht.

Es sind weiterhin zwei fahrzeugfeste Beschleunigungsmesser 42 und 44 vorgesehen. Die Eingangsachse 46 des Beschleunigungs-

F messers 42 ist parallel zur Fahrzeuglängsachse χ . Die Eingangsachse 48 des Beschleunxgungsmessers 44 ist parallel zur

F
Fahrzeugquerachse y .

Die Fühler 20,22,24 und 42,44 bilden zusammen die "Trägheitsmeßeinheit" 50.

Als weiterer Fühler ist ein Geschwindigkeitsgeber 52 vorgesehen, der, wie in Figur 2 angedeutet, die Geschwindigkeit des Fahrzeugs 16 in Richtung der Fahrzeuglängsachse mißt.

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- je· -

Die Messungen erfolgen in einem fahrzeugfesten Koordinaten-

FF F system mit den Koordinatenachsen χ , y und ζ . Für die

Navigation werden jedoch der Kurswinke^ und die Fahrzeuggeschwindigkeit in einem erdfesten Koordinatensystem mit den Koordinaten x^R (Nord), y^R (Ost) und z^R (Vertikale) benötigt. Das Verhältnis der Koordinatensysteme zueinander ist aus

Figur 3 ersichtlich: Die vertikale Ebene 54 der Fahrzeuglängs-

F RR

achse χ bildet mit der χ ζ -Ebene den wahren Kurswinkel ψ . In der Ebene 54 ist die Fahrzeuglängsachse χ um den Nickwinkel * gegen die Schnittlinie 56 der Ebene 54 und der horizontalen

RR ¹F V

x y -Ebene geneigt. Die Koordinatenachsen y und ζ sind um die so liegende Fahrzeuglängsachse um den Rollwinkel Ψ verdreht.

Ein in dem fahrzeugfesten Koordinatensystem gemessener Vektor wird in das erdfeste Koordinatensystem mittels eine "Richtungskosinusmatrix"

^CF= Sj -

cfl¹ c Ψ ; -si} ei? + ; εψ s f +

+s<f ε^οψ ; +cf s*ci

c9· sty j σ φ c ψ + -s? σψ +

+s φ s ·9· s Φ ; +c? s* si

-s fr ; s 9> c θ ; c«p c&

transformiert. Dabei ist aus Raumgründen "sin" abgekürzt durch "s" und "cos" abgekürzt durch "c". Die Lagewinkel* , Φ und φ hängen mit den Elementen der Richtungskosinusmatrix nach folgenden Beziehungen zusammen:

- 11 -

arc sin	Si	*
	Si
arctan
S₂	Si
S₃

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Die Schwerebeschleunigung wird im erdfesten Koordinatensystem durch einen Vektor

(5)
dargestellt, während die Erddrehung durch einen Vektor

"Q

gegeben ist, wobei

(7) Ω = Q_ sin Φ und

s tu

(8) Q _c = Q_E cos φ

ist, wenn Q „ die Drehgeschwindigkeit der Erde und Φ die

ill

geographische Breite ist.

Τ·¹ P¹ "F¹

Die Signale G , G und G der Magnetfeldsensoren 10,12,14 χ y ζ

(Block 18) werden auf eine Rechnereinheit 58 gegeben, der außerdem die Elemente C₃₁, C₃₂, C₃₃ der letzten Zeile der Richtungskosinusmatrix zugeführt werden, die sich in noch zu beschreibender Weise ergeben. Ferner erhält die Rechnereinheit 58 ein Signal DEV, welches die durch das Fahrzeug hervorgerufene Abweichung der magnetischen Feldlinien (Deviation) wiedergibt. Die Rechnereinheit 58 liefert ein Signal, welches den Magnetkurswinkel ψ _M zwischen der Schnittlinie 56 in Figur 3 und der durch die Richtung der magnetischen Kraftlinien gegebenen Nordrichtung (magnetisch Nord) wiedergibt.

T? T? T?

Die Signale w , w , w von den Fühlern 20,22,24, welche im fahrzeugfesten Koordinatensystem die Drehgeschwindigkeiten gegenüber dem inertialen Raum wiedergeben, werden in den Summierpunkten 60,62,64 durch Signale T ,T , T von einer

030050/0228 _ ₁₂ _

Rechnereinheit 66 hinsichtlich der Komponenten der Erddrehung und der Transportrate, d.h. der durch die Bewegung des Fahrzeugs auf der Erdoberfläche hervorgerufenen Drehgeschwindigkeiten kompensiert, so daß sich die Drehgeschwindigkeiten

FFF
ω ,ω ,ω des Fahrzeugs gegenüber der Erde ergeben.

FF F
Diese Signale ω ,ω_ν und ω werden zusammen mit den Beschleu-

^X F F ^Z
nigungssignalen A , A von den Beschleunigungsmessern 42 bzw.

44 und dem Geschwindigkeitssignal ν des Geschwindigkeitsgebers 52 einer Rechnereinheit 68 zugeführt. Diese Rechnereinheit 68 liefert die Elemente C_n, C,~, C-* der Richtungs-

P O I j Δ j j ρ

kosinusmatrix C_ sowie inertiale Geschwindigkeitssignale v_T

F ^{F Ix}

und v_Iy.

Die Rechnereinheit 66 erhält die Elemente Cj₁, C,₉, C-,-. der Richtungskosinusmatrix C₁ von der Rechnereinheit 68, die

Winkelfunktionen sin Φ und cos φ des wahren Kurswinkels ψ sowie zur Berücksichtigung der Transportrate die Komponenten ν und

R ^X

ν der Fahrzeuggeschwindigkeit im erdfesten Koordinatensystem.

Eine Rechnereinheit 70 erhält die Elemente C₃₁, C₃₂, C₃₃ von der Rechnereinheit 68 sowie die kompensierten Drehgeschwindig-

FFF
keiten ω ,ω ,_ω .und den Magnetkurswinkelφ von der Rechnereinheit 58. Sie liefert daraus die Winkelfunktionen sin φ und cos Φ des wahren Kurswinkels Φ . Diese sind auf die Rechnereinheit 66 und auf eine Rechnereinheit 72 geschaltet.

Die Rechnereinheit 72 erhält, wie gesagt, die Winkelfunktionen sin ψ und cos φ des Kurswinkels Ψ von der Rechnereinheit 70,

ferner das Element C,- = sin θ der Richtungskosinusmatrix C„ von der Rechnereinheit 68 und einen korrigierten Geschwindigkeits-

U D T3

meßwert. Sie liefert daraus die Komponenten ν , ν , v_z der Fahrzeuggeschwindigkeit in dem erdfesten Koordinatensystem. Die

TJ

horizontalen Geschwindigkeitskomponenten ν werden, wie gesagt,

Ji.

- 13 -

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-4i- 2922AH

der Rechnereinheit 66 zugeführt. Außerdem werden die Komponenten

RR R
ν , ν und V einem Positionsrechner 74 zugeführt, in den

weiterhin eine Referenzhöhe h eingegeben wird. Der Positionsrechner 74 liefert die Position des Fahrzeugs nach geographischer Länge λ und Breite Φ sowie der Höhe h.

F
Das Geschwindigkeitssignal ν von dem Geschwindigkeitsgeber 52 ist auf eine Rechnereinheit 76 geschaltet, welcher außerdem die

F F

inertialen Geschwindigkeitssignale v_T und v_T zugeführt

¹Y ^lx Λ ρ werden. Die Rechnereinheit 76 liefert einen Schätzwerte ν für

F ^x

den Fehler des Geschwindigkeitssignals ν . Mit diesem Schätz-

^p ^x F

wert Av ν wird das Geschwindigkeitssignal ν in einem

X X

Summierpunkt 78 korrigiert. Das so korrigierte Geschwindigkeitssignal wird, wie erwähnt, der Rechnereinheit 72 zugeführt.

Die Rechnereinheit 68 ist in Figur 5 im einzelnen dargestellt.

Wie durch den Block 80 dargestellt ist, erzeugt die Rechnereinheit 68 Signale

⁽⁹⁾ C₃₁ =C₃₂ ω ^ - C₃₃CO^
» PF

liu; ^₃₂ L₃₃ ω_χ c_{31 z}

aus den - in noch zu beschreibender Weise rückgeführten - EIementen aus der letzten Zeile der Richtungskosinusmatrix C„ und

F den bei 60,62,64 kompensierten Drehgeschwindigkeiten^ω ,

FF ^X ·

^ω ,ω von den Fühlern 20,22,24. Die so erhaltenen Signale C₃₁

und C_„ werden durch Integratoren 82 bzw. 84 zeitlich integriert, um Signale C₃₁ bzw. C₃₂ zu erhalten. Die Anfangswerte C₃₁(0) und C₃₂(O) für die Integration werden nach Art der DE-OS 2 741 gewonnen oder nach der Lehre der gleichzeitig eingereichten Patentanmeldung "Gerät zur automatischen Bestimmung der Nordrichtung in einem Fahrzeug".

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Da die Matrix C_p orthonormal ist, gilt

dl) c₃₁ ² ₊c₃₂ ² ₊C₃₃ ² = 1

oder (12)

d.h. das dritte Element C₃₃ ergibt sich aus den beiden anderen. Wie durch den Block 86 dargestellt ist, wird nach Gleichung (12) aus den Ausgangssignalen der Integratoren 82 und 84 ein das Element C₃₃ darstellendes Signal erzeugt. So stehen für die Signalverarbeitung gemäß den Gleichungen (9) und (10) in Block 80 die Elemente C₃₁, C₃₂ und C₃₃ zur Verfügung, die außerdem, wie in Fig. 1 dargestellt ist, den Rechnereinheiten 66, 70 und z.T. 72 zugeführt werden.

Aus den so erhaltenen Signalen C₃₁ , C, ₀ und C.,, sowie den Drehgeschwindigkeiten ω und ω wird in der Rechnereinheit 70, die in Figur 6 im einzelnen dargestellt ist, ein Signal

(13) Φ j =

F F

^C33 ^ω ζ ^{+ C}32 ^ω y

erzeugt, wie durch Block 88 angedeutet ist. Dieses Signal ist die Zeitableitung des "inertialen" Kurswinkels, wie er sich aus

FFF

den gemessenen Winkelgeschwindigkeiten ^ω , ^ω , ^ω ergibt. , xyz

Diesem Signal Φ _T wird in einem Summierpunkt 90 mit entgegen-

^x Λ

gesetztem Vorzeichen ein Schätzwert D für die Kursdrift über-

lagert, der in noch zu beschreibender Weise erhalten wird. Das so erhaltene korrigierte Kurswinkelsignal φ wird durch einen Integrator 92 zeitlich integriert und liefert den wahren Kurswinkel φ in dem erdfesten Koordinatensystem. Der Kurswinkel Φ wird auf einen Sinusfunktionsgeber 94 und einen Kosinusfunktionsgeber 96 zur Erzeugung von Signalen sin Φ und cos Φ gegeben, die, wie in Figur 1 dargestellt ist, auf die Rechnereinheiten 66 und 72 gegeben werden.

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Die Elemente C^i' '-τ?' ^C33 ^^{er R}i^cntungskosinusinatrix, wie sie allein aus den Winkelgeschwindigkeiten ω , ^ω und f erhalten werden, sind einer Drift unterworfen. Eine solche Drift kann zu unzulässigen Fehlern führen, wenn nicht sehr hohe Anforderungen an den Kreisel und die sonstigen Bauelemente gestellt werden. Aus diesem Grunde erfolgt eine Stützung dieser

■ρ τ?

Werte unter Ausnutzung der Signale A und A der Beschleuni-

F^X ^ gungsmesser 42,44 und des Signals ν von dem Geschwindigkeits-

Ji

geber 52.

Das Signal C₃. vom Ausgang des Integrators 82 ist multipliziert mit der Erdbeschleunigung g, die durch den Block 98 dargestellt

F
ist, dem Signal A von dem Beschleunigungsmesser 42 in dem Summierpunkt 100 überlagert. Auf den Summierpunkt 100 ist ein weiteres Signal geschaltet, wie noch erläutert wird. Das Signal

A des Beschleunigungsmessers 42 und die überlagerten Signale

im Summierpunkt 100 werden durch einen Integrator 102 zeitlich integriert. Es wird so ein inertiales, d.h. aus dem Beschleunigungssignal A unter Berücksichtigung des Schwerebeschleunigungs-

F anteils erhaltenes Geschwindigkeitssignal v_T erhalten, welches der Rechnereinheit 76 zugeführt wird (Figur 1)„Dem inertialen

F
Geschwindigkeitssignal v_T wird in einem Summierpunkt 104 das

P
Geschwindigkeitssignal ν von dem Geschwindigkeitsgeber 52 mit

Ji

entgegengesetztem Vorzeichen zur Bildung eines Differenzsignals überlagert. Das Differenzsignal bildet multipliziert mit einem zeitabhängigen Faktor K (t), der durch den Block 106 dargestellt

^v F

ist, das besagte weitere, dem Signal A des Beschleunigungs-

Ji

messers 42 im Summierpunkt 100 überlagerte Signal. Weiterhin ist das Differenzsignal dem CU₁-Signal mit einem zeitabhängigen Faktor K (t), dargestellt durch den Block 108, in einem Summierpunkt 110 überlagert. Das im Summierpunkt 110 gebildete Signal wird durch den Integrator 82 integriert.

In ähnlicher Weise ist das Signal C₃₂ vom Ausgang des Integrators 84 multipliziert mit der Erdbeschleunigung g, die durch den

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-Xt-

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Block 112 dargestellt ist, dem Signal A von dem Beschleunigungsmesser 44 in dem Summierpunkt 114 überlagert. Auf den Summierpunkt 114 ist ebenfalls ein weiteres, noch zu erläuterndes

F
Signal geschaltet. Das Signal A des Beschleunigungsmessers 44 und die überlagerten Signale im Summierpunkt 114 werden durch einen Integrator 116 zeitlich integriert. Es wird so ebenfalls

P ein inertiales Geschwindigkeitssignal v_T erhalten, welches wie

das Signal v_T der Rechnereinheit 7 6 zugeführt wird. Dem J-X _F

inertialen Geschwindigkeitssignal ν kann in einem Summier-

F punkt 118 ein Geschwindigkeitssignal ν von einem Quergeschwindigkeitsgeber mit entgegengesetztem Vorzeichen überlagert sein. Bei einem Fahrzeug der hier vorliegenden Art kann jedoch v =0 angenommen werden. Das so erhaltene Signal bildet, multipliziert mit einem zeitabhängigen Faktor K (t), der durch den Block 120 dargestellt ist, das besagte weitere, dem Signal A des Beschleunigungsmessers 44 im Summierpunkt 114 überlagerte Signal. Das Signal vom Summierpunkt 118 ist weiterhin dem C,_?-Signal mit einem zeitabhängigen Faktor K (t), dargestellt durch den Block 122 in einem Summierpunkt 124 überlagert. Das im Summierpunkt 124 gebildete Signal wird durch den Integrator 84 integriert.

Zur Berücksichtigung der Zentrifugalbeschleunigung kann im Summierpunkt 114 zusätzlich ein Signal aufgeschaltet sein,

F welches sich durch Multiplikation des Signals ν vom Geschwindig-

F^X keitsgeber 52 mit der Winkelgeschwindigkeit ω um die

F
Hochachse ζ ergibt, wie durch den Block 126 dargestellt ist.

In Figur 8 ist ein Filter zur Erzeugung eines Signals, welches das Element C₃₁ der Richtungskosinusmatrix C_p darstellt, aus dem Beschleunigungsmessersignal A des Beschleunigungsmessers

^X F
42 und dem Geschwindigkeitssignal ν des Geschwindigkeitsgebers 52 im einzelnen dargestellt.

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Wie aus Figur 1 ersichtlich ist, sind magnetfeldempfindliche Mittel 18 und 58 zur Bestimmung der Richtung ψ _M des Erdmagnetfeldes im erdfesten Koordinatensystem und zur Erzeugung eines diese Richtung wiedergebenden Signals vorgesehen. Dem ψ _τ-Signal ist vor der zeitlichen Integration durch den Integrator 92 im Summierpunkt 90 ein Signal D₁₇ von der Rechner einheit 58 mit umgekehrtem Vorzeichen überlagert, welches einem mit Hilfe des Erdmagnetfeldes gewonnenen Schätzwert der Kursdrift

entspricht. Die Erzeugung dieses Signal D₁₇ ist in Figur 7

dargestellt.

Einem durch Integration des ψ _T-Signals gewonnenen inertialen Kurssignal Ψ_τ ist das die Richtung des Erdmagnetfeldes (Magnetkurswinkel) wiedergebende Signal ψ_M mit entgegengesetztem Vorzeichen zur Bildung eines Differenzsignals (ψ - ψ ) überlagert. Diesem Differenzsignal Ψ - Ψ ist in einem Summierpunkt 128 ein erstes Signal Δ Ψ _M mit gleichem und ein zweites Signal 4ψ_χ mit entgegengesetztem Vorzeichen überlagert. Das erste Signal ^^Λψ ^ ist ein Schätzwert für den Fehler des Magnetkurswinkels und das zweite Signal ist ein Schätzwert für den Fehler des inertialen Kurssignals, wie noch erläutert werden wird.

Das erste Signal A ψ wird durch zeitliche Integration der so im Summierpunkt 128 überlagerten Signale mit einem ersten, durch den Block 130 dargestellten, zeitabhängigen Faktor K₁ (t) mittels eines Integrators 132 gewonnen. Weiterhin werden die überlagerten Signale mit einem zweiten zeitabhängigen Faktor K₂(t) multipliziert, der durch den Block 134 dargestellt ist, und so mittels eines Integrators 136 zeitlich integriert. Am Ausgang des Integrators 136 erscheint dann ein Signal, das

einen Schätzwert D₁₇ für die Kursdrift darstellt. Schließlich werden die im Summierpunkt 128 überlagerten Signale mit einem dritten zeitabhängigen Faktor K_(t), der durch den Block 138 dargestellt ist, multipliziert. In einem Summierpunkt 140

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- ve- -

werden das so erhaltene Produktsignal und das vorerwähnte, den

Schätzwert D„ für die Kursdrift darstellende Signal überlagert. Die so im Summierpunkt 140 überlagerten Signale werden mittels eines Integrators 142 integriert und liefern das oben erwähnte

λ A

zweite Signal ΔΨ_τ# welches wie das erste Signal Λ ψ auf den Summierpunkt 128 gegeben wird. Das dabei am Integrator 136 erhaltene, den Schätzwert D₁₇ für die Kursdrift darstellende Signal gleichzeitig dem ψ ^-Signal vor der Integration desselben im Summierpunkt 90 (Figur 6) mit entgegengesetztem Vorzeichen überlagert.

Die beschriebene Anordnung arbeitet wie folgt:

Gemäß Gleichung (1) ist CU₁ = - sin *. Im Summationspunkt 100

F von Figur 5 und 8 wird somit von dem Signal A des Beschleunigungsmessers 42 der Anteil g sin * abgezogen, der von der Schwerebeschleunigung herrührt. Es ergibt sich somit ein Signal, das der Newtonschen Beschleunigung in Richtung der

F
Fahrzeuglängsachse entspricht. Dieses Signal wird durch den

^X F

Integrator 102 integriert, wodurch sich ein Signal ν_χ ergibt, also die inertial gemessene Geschwindigkeit. Diese

F
inertiale Geschwindigkeit V₁ wird im Summationspunkt 1O4 mit der von dem Geschwindigkeitsgeber 52 gemessenen Geschwindigkeit

F
ν verglichen. Eine Abweichung kann auf einem Fehler des

Beschleunigungsmessers 42 oder einem falschen C₃₁ beruhen. Die Abweichung wird mit einem vorgegebenen, zeitabhängigen Faktor K (t) auf den Summierpunkt 100 geschaltet und korrigiert somit

F
das Signal A des Beschleunigungsmessers 42. Außerdem wird sie

Ji

mit einem zweiten, vorgegebenen, zeitabhängigen Faktor K (t) integriert und korrigiert den Wert von C^₁. Es wird dann ein

F Zustand eingeregelt, bei welchem die Abweichung zwischen ν

F
und v_ verschwindet, wobei sich der richtige Wert von C₃₁ einstellt. Dabei kann durch geeignete Auslegung dafür gesorgt werden, daß unter Berücksichtigung der typischen systematischen Meßfehler der Sensoren ein optimaler Wert von C₃₁ erhalten wird.

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-TT-

29224U

F Im Falle der Figur 5 bewirkt die Abweichung zwischen ν und

ρ · Ix

ν eine Korrektur von C₃₁ vor der Integration.

Bezeichnet man mit ψ den (zunächst unbekannten) wahren, nicht durch Drift o.dgl. verfälschten Kurswinkel, so gilt

(14) Ψ _τ = ψ + Δ ψ-j.

ds) Ψ_Μ = Φ + Μ_Μ,

wenn Δψ-j- undAtf¹,, die Fehler des inertialen bzw. des magnetischen Kurswinkels sind. Daraus ergibt sich

Bei dem Filter von Figur 7 ist angenommen, daß die Differenz ψ _T - ψ _M die Form

hat, d.h. sich aus einem konstanten Anteil a und einem linear ansteigenden Anteil a..t zusammensetzt. Es ist weiterhin angenommen, daß Δ Ψ konstant also

(18) ΔΨ_Μ = 0
ist. Daraus folgt

(19) U₁ = *! - i_M ^{β a}1
Andererseits ist definitionsgemäß

^A*l = ^DZ

die Kursdrift des inertial gemessenen Kurswinkels, die also dem Koeffizienten a₁ entspricht. Diese Verhältnisse sind in dem Filter von Figur 7 nachgebildet.

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- -2O -

In dem Summierpunkt 128 ist die Differenz ψ - ψ , die aus der Schaltung von Figur 6 bzw. der Rechnereinheit 58 erhalten wird,

Λ A

die Differenz von Schätzwerten Δ ψ _x und Δ ψ .. entgegengeschaltet,

Λ Α ^τ ^M A

die zunächst als Δ ψ _T(O) und ΔΨ_Μ(O) ebenso wie der Wert D (0) irgendwie vernünftig vorgegeben werden. Eine Abweichung der Differenzen wird mit K₁(t) multipliziert und durch den Integrator 132 integriert und bewirkt eine Änderung von Δ Φ_Μ· Weiterhin bewirkt die Abweichung am Summierpunkt 128 mit dem Faktor K„(t) über den Integrator 136 eine Änderung des

•^ A Λ

Schätzwertes D . Dieser Schätzwert D würde nämlich bei

^{Z 2}AA

verschwindender Abweichung ( ψ - ψ ) - (ΔΨ_Τ~ ^Ψ_μ) über den Integrator 142 am Summierpunkt 128 einen linearen Signalanstieg

bewirken, wobei die Abweichung nur dann null bleibt, wenn D gleich der tatsächlichen Kursdrift ist. Mit dem Faktor K₃(t) wird die Abweichung außerdem direkt auf den Integrator 142 gegeben, wodurch Δ Ψ _τ zusätzlich um einen konstanten Wert korrigiert wird. Es ist zu beachten, daß K.. (t) , K„(t) und K₃ (t) mit der Zeit auf null abklingende Funktionen sind. Im eingeschwungenen Zustand ist die Abweichung ( Ψ - ψ )-(Δψ- A ψ..) am Summierpunkt 128 null und D entspricht der Kursdrift Δψ_τ.

Λ ^Z . ^X

Dieses Signal D wird abgegriffen und korrigiert ψ in

Z -L.

Figur 6.

Eine vereinfachte Ausführung zeigt Figur 9, in welcher entsprechende Teile mit dem gleichen Bezugszeichen versehen sind wie in Figur 5.

Bei der Ausführungsform nach Figur 9 sind der inertiale Kurswinkel Φ_T dem magnetischen Kurswinkel im Summierpunkt 144 entgegengeschaltet. Die Differenz ist einmal mit einem Faktor K₁ dem Φ -Signal im Summierpunkt 146 überlagert. Zum anderen wird die Differenz mittels des Integrators 146 integriert und das Integral mit einem Faktor K₉ im Summierpunkt 146 auf das Φ_I-Signal aufgeschaltet.

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Claims

- Vf-

Patentansprüche

/ 1.) Kurs-Lage-Referenzgerät zur Bestimmung von Kurs und Lage eines Fahrzeuges, enthaltend: drei Drehgeschwindigkeitsfühler, welche auf die Drehgeschwindigkeiten um drei
zueinander senkrechte, fahrzeugfeste Eingangsachsen
ansprechen, zwei Beschleunigungsmesser, deren fahrzeugfeste zueinander senkrechte Eingangsachsen parallel zu den Eingangsachsen zweier Drehgeschwindigkeitsfühler sind, und einen Rechner, dem die Signale der Drehgeschwindigkeitsfühler und der Beschleunigungsmesser zugeführt werden, zur Erzeugung von Signalen entsprechend Transformationsparametern zwischen einem fahrzeugfesten und einem erdfesten Koordinatensystem sowie des Kurswinkels in dem erdfesten Koordinatensystem,

dadurch gekennzeichnet, daß

(a) der Rechner zur Erzeugung von Signalen

* FP

C = C ω — C ω
31 32 z 33 y

F F
C = C ω — C ω
^C32 ^C33 χ ^U31 ζ

eingerichtet ist, wobei

C,.., C,₂, Ct-. die Elemente der letzten Zeile der
Richtungskosinusatrix,

^C31' ^C32 ^{die zu}9^enöri9^en Zeitableitungen

F
ω die Drehgeschwindigkeit um eine Ein

- F

gangsachse χ im fahrzeugfesten Koordinatensystem,

- 22 -

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- 22 -

F
ω die Drehgeschwindigkeit um die zweite

P
Eingangsachse y im fahrzeugfesten

Koordinatensystem und

F
ω die Drehgeschwindigkeit um die dritte

Eingangsachse ζ im fahrzeugfesten Koordinatensystem ist,

(b) Die Signale C₃₁ und C₃₂ zur Bildung von Signalen C₃₁ bzw. C₃₂ durch den Rechner zeitlich integriert werden,

(c) der Rechner weiterhin aus den so erhaltenen Signalen C₃₁ und C₃₂ ein Signal

- A-

bildet,

C₃₃ = ρ - C₃₁ ² - C₃₂ ²

(d) die Signale C₃₁, C₃₂ und C₃₃ wiederum zur Bildung von C₃₁ und C₃₂ aus den Drehgeschwindigkeitssignalen auf den Rechner zurückgeführt sind,

(e) aus den so erhaltenen Signalen CU₁, C~_o, C„sowie

F F den Drehgeschwindigkeitssignalen ω und ω Signal

* 1 F F

^ψΙ⁼ .J. „ 2 - ^C33 ^ωζ ^{+ C}32 ^Wy

gebildet und

(f) dieses Signal durch den Rechner zur Bildung eines den Kurswinkel Ψ im erdfesten Koordinatensystem wiedergebenden Signals zeitlich integriert wird.

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2. Kurs-Lage-Referenzgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß

(g) die Signale C₃₂ und C₃₁ multipliziert mit der Erdbeschleunigung g den Signalen A
nigungsmesser überlagert sind,

F F schleunigung g den Signalen A bzw. A der Beschleu-

y ^χ

(h) den Signalen der Beschleunigungsmesser je ein weiteres Signal überlagert ist,

(i) die Signale der Beschleunigungsmesser mit den jeweils überlagerten Signalen zur Bildung von inertialen Geschwindigkeitssignalen zeitlich integriert werden,

(j) wenigstens ein Geschwindigkeitsgeber vorgesehen ist, welcher ein Geschwindigkeitssignal nach Maßgabe der Komponente der Fahrzeuggeschwindigkeit in Richtung der Eingangsachse eines Beschleunigungsmessers liefert,

(k) dem von dem betreffenden Beschleunigungsmesser abgeleiteten inertialen Geschwindigkeitssignal das Geschwindigkeitssignal von dem Geschwindigkeitsgeber mit entgegengesetztem Vorzeichen zur Bildung eines Differenzsignals überlagert ist,

(1) das Differenzsignal multipliziert mit einem zeitabhängigen Faktor K (t) das besagte weitere, dem Signal des Beschleunigungsmessers überlagerte Signal bildet und

(m) das Differenzsignal weiterhin dem C₃₂~bzw. C₃--Signal mit einem zeitabhängigen Faktor K (t) überlagert ist.

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^ 2922AH
3. Kurs-Lage-Referenzgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß

(a) magnetfeldempfindliche Mittel zur Bestimmung der Richtung ψ _M des Erdmagnetfeldes im erdfesten Koordinatensysten und zur Erzeugung eines diese Richtung wiedergebenden Signals vorgesehen sind und

(b) dem ψ _T-Signal vor der zeitlichen Integration ein Signal D mit umgekehrtem Vorzeichen überlagert ist, welches einem mit Hilfe der Richtung des Erdmagnetfeldes gewonnenen Schätzwert der Kursdrift entspricht.
4. Kurs-Lage-Referenzgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß

(n) einem durch Integration des Ψ-j.-Signals gewonnenen inertialen Kurssignal Φ das die Richtung des Erdmagnetfeldes wiedergebende Signal Φ „ mit entgegengesetztem Vorzeichen zur Bildung eines Differenzsignals ( φ γ- ψ_Μ) überlagert ist,

A (ο) diesem Differenzsignal ψ..- Φ ein erstes Signal Δ ψ mit gleichem und ein zweites Signal A^₁ mit entgegensetztem Vorzeichen überlagert ist,

(p) das erste Signal ΔΨ_Μ durch zeitliche Integration der so überlagerten Signale mit einem ersten zeitabhängigen Faktor K₁(t) erzeugt wird,

(q) die überlagerten Signale weiterhin mit einem zweiten zeitabhängigen Faktor K₉(t) multipliziert und zur Er-

zeugung des Schätzwertes D„ für die Kursdrift

Ii

zeitlich integriert werden,

(r) die überlagerten Signale mit einem dritten zeitab-

hängigen Faktor multipliziert, dem Schätzwert D

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- 25 -

- 25 -

für die Kreiseldrift überlagert und so zur Erzeugung

Λ
des zweiten Signals Δ Ψ-,- zeitlich integriert werden,

wobei das den Schätzwert D für die Kursdrift darstellende

Signal gleichzeitig dem ψ --Signal vor der Integration desselben überlagert ist.

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