DE2927325A1 - Messeinrichtung - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf eine Meßeinrichtung
• gemäß Oberbegriff des ersten Patentanspruches. Eine derartige Meßeinrichtung ist aus der DE-OS 25 39 455 bekannt, in welcher als Kursgeber eine das Erdmagnetfeld erfassende Magnetfeldsonde vorgesehen ist. Die bekannten Magnetfeldsonden oder ganz allgemein auch Magnetkompasse stellen zwar im Vergleich mit Kreiselgeräten einfache und kostengünstige Lösungen dar, doch sie sind empfindlich gegenüber Änderungen bzw. Störungen des Erdmagnetfeldes, so das die Kurssignale recht erhebliche Fehler enthalten können. Änderungen des Erdmagnetfeldes können insbesondere auftreten infolge von größeren Eisenmassen wie z.B. in Brücken oder Gebäuden oder infolge von Strom führenden Leitungen, wie z.B.
• Straßenbahnoberleitungen. Gelangt eine derartige Meßeinrichtung in einer Ortungs- oder Navigationsanlage für ein Fahrzeug zum Einsatz, so sind bisher aufgrund der fehlerhaften Kurssignale auch beträchliche Navigationsfehler unvermeidbar. Andererseits besteht aber ein besonderes Interesse an kostengünstigen Navigationsanlagen für den Einsatz in Städten, wo jedoch die genannten Änderungen des Erdmagnetfeldes der Verwendung von Meßeinrichtungen der genannten Art entgegenstehen.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, mit geringem Aufwand eine Meßeinrichtung der genannten Art zu schaffen, welche auch und gerade bei Änderungen des Erdmagnetfeldes hinreichend genaue Kurssignale liefert.
• Diese Aufgabe wird durch die im ersten Patentanspruch angegebenen Merkmale gelöst. Durch die Verwendung eines zweiten Kursgebers und die angegebene Verknüpfung der Signale beider Kursgeber wird in einfacher Weise sichergestellt, daß auch bei Störungen des Erdmagnetfeldes ein hinreichend genaues Kurssignal zur Verfügung steht. Hierbei werden an den zweiten Kursgeber keine besonderen Anforderungen im Hinblick auf die Langzeitgenauigkeit gestellte sondern es reicht aus, daß der Kursgeber für die Dauer der zu erwartenden Störungen des Erdmagnetfeldes ein kurzzeitstabiles Kurssignal abgibt. Als besonders geeignet hat sich ein Kursgeber erwiesen, welcher über die Stellung der Lenkmechanik den Steuerwinkel des Fahrzeuges erfaßt, doch es kann ohne weiteres auch ein einfacher billiger Kurskreisel oder Wendekreisel oder ein Winkelgeschwindigkeitssensor vorgesehen werden, da deren Langzeitverhalten, insbesondere der Einfluß der Drift, praktisch unerheblich ist Die Erfindung geht von der Überlegung aus, daß eine externe Störung des Erdmagnetfeldes dann vorliegt, wenn das vom ersten Kursgeber, insbesondere einer Magnetfeldsonde gelieferte Kurssignal von dem errechneten Kurssignal um einen vorgegebenen 3etrag abweicht Hierbei wird mittels des zweiten kurzzeitstabilen Kursgebers, insbesondere die Kurswinkeländerung, erfaßt, fortlaufend über die Zeit integriert und mit dem Kurssignal des ersten Kursgebers nachgeführt, so daß das derart errechnete Kurs signal dem Kurs des Fahrzeuges entspricht, Falls also keine Störung des Erdmagnetfeldes vorliegt, entspricht das Kurssignal somit dem Signal des ersten Kursgebers Tritt hingegen eine Störung des Erdmagnetfeldes auf und weicht das errechnete Kurssignal vom Signal des ersten Kursgebers entsprechend stark ab, so wird die Nachführung des Kurssignales geringer gemacht, mit der Folge, daß nunmehr das Kurssignal im wesentlichen durch den zweiten krrzzeitstabilen Kursgeber bestimmt wird. Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, die Nachführung nichtlinear vorzunehmen. Nach einer bevorzugten Ausführungsform wird das Kurssignal jeweils aus der Summe des vorherigen Kurssignales, der Änderung des Signales des zweiten Kursgebers sowie einem Korrektursignal gebildet, wobei das Kurrektursignal von der Differenz aus dem vorherigen Kurssignal und dem Signal des ersten Kursgebers abhängt. Bei der Bestimmung des Korrektursignales werden vorteilhaft ein vorgegebener Grenzwert sowie entsprechende Nachfuhrkoeffizienten berücksichtigt.
• Darüber hinaus ist es von Vorteil, bei der Bestimmung der vom Signal des zweiten Kursgebers abhängigen Fxurswinkeländerung auch die Geschwindigkeit des Fahrzeuges zu berücksichtigen. Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie dem nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiel.
• Die Erfindung wird anhand des in der Zeichnung dargestellten Blockschaltbildes eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es ist ein erster Kursgeber 1 vorgesehen, welcher als eine Magnetfeldsonde ausgebildet ist und ein Signal Gs entsBrechend dem mcmentanen Steuerkurs bezüglich des Erdmagnetfeldes abgibt. Aufbau und Wirtangsweise einer derartigen Magnetfeldsonde sind beispielsweise aus der DE-OS 25 39 455 hinlänglich bekannt und werden hier nicht weiter erläutert. Zum Verständnis der Erfindung sei angegeben, daß eine derartige agnetfeldsonde die Horizontalkomponente vom Vektor des Erdmagnetfeldes erfaßt und daß das Signal Gs der Ausrichtung insbesondere der Fahrzeuglängachse zur magnetischen Nordrichtung entspricht, sofern keine Störung des Erdmagnetfeldes vorliegt. Es ist ein weiterer, jedoch kurzzeit stabiler Kursgeber 2 vorgesehen, welcher einen mit der Lenksäule des Fahrzeuges verbundenen Impulsgeber 3 enthält. Dieser Impulsgeber 3 gibt pro Drehung der Lenksäule um 3600 beispielsweise 256 Impulse ab, wobei auch die Drehrichtung durch das Vorzeichen erfaßt wird.
• Die jeweils in einem Rechenzyklus auftretenden Impulse werden mittels der Additionsmittel 4 unter Berücksichtigung eines Lenkübertragungsfaktors KL sowie des im vorherigen Rechenzyklus erhaltenen Winkelwertes i cen aufsummiert. Gleichzeitig wird der vorherige Winkelwert αn-1 mit einem Reduktions-faktor K0, welcher einen Wert kleiner Eins aufweist, geringfügig reduziert, so daß der Winkelwert des Steuerwinkels 0? n nach einiger Zeit dem Wert Null zustrebt. Hierdurch werden Nullpunktsfehler der Lenkmechanik eliminiert. Der Reduktionsfaktor Ko liegt bevorzugt in der Größenordnung von 0,95 bis 0,995.
• Zu Beginn der Fahrzeugfahrt wird der Steuerwinkel zweckmäßig auf Null gesetzt. Falls der tatsächliche Steuerwinkel anfangs ungleich Null ist, so wird nachfolgend der Steuerwinkel entsprechend reduziert, wobei die Zeitkonstante vorwählbar ist, durch den Reduktionsfaktor K0 sowie die Zeitdauer der einzelnen Rechenzyklen.
• Es ist darüber hinaus von besonderer Bedeutung, daß der Reduktionsfaktor Ko mit einem geschwindigkeitsabhängigen Exponenten v/vO beaufschlagt wird, wobei v die Fahrzeuggeschwindigkeit und vO die konstante Grenzgeschwindigkeit darstellt. Es wird daher den Additionsmitteln 4 auch die Fahrzeuggeschwindigkeit v zugeführt, welche aus den Signalen n eines Weggebers 5 abgeleitet werden. Mit den Rechenmitteln 6 wird unter Berücksichtigung der Weginkrementenlänge # s sowie der Rechenzyklusdauer to die Fahrzeuggeschwindigkeit v bestimmt. Aufgrund dieser geschwindigkeitsabhängigen Reduktion entsprechend dem Faktor K0 v/v0 wird erreicht, daß einerseits bei Fahrzeugstillstand, also für v % gleich Null der Steuerwinkel nicht reduziert wird und daß andererseits bei hoher Fahrzeuggeschwindigkeit und im wesentlichen geradliniger Fahrt eine schnelle Reduktion erfolgt. Die Grenzgeschwindigkeit ist durch den Quotienten aus der Weginkrementenlänge # s und der Dauer eines Rechenzyklus vorgegeben.
• Mittels der Rechenmittel 8 wird aus dem Steuerkurswinkel α n unter Berücksichtigung der Fahrzeuggeschwindigkeit v und der Fahrzeuggeometrie die Kurswinkeländerung # #L bestimmt. Ist der Weggeber 5 bei einem Fahrzeug mit Heckantrieb an der hinteren liYagenachse angeordnet und wird mit a der Achsabstand bezeichnet, so berechnet sich die Kurswinkeländerung pro Rechenzyklus t im wesentlichen nach der Beziehung: # #L = v . t0 . tg αn Falls der Weggeber 5 bei einem Fahrzeug mit Front antrieb an der Vorderachse angeordnet ist, so ist anstelle der Tangensfunktion tg αn die Sinusfunktion sin αn zu setzen.
• Das Kurswinkeländerungssignal # @, welches aus den Signalen des zweiten Kursgebers 2 bestimmt wird, wird ebenso wie ein Korrektursignal t #k den Additionsmitteln 9 zugeführt. Mittels der Additionsmittel 9 wird aus den genannten Signalen ##L, ##K sowie dem Kurssignal #n-1 des vorherigen Rechenzyklus das neue Kurssignal #n gebildet. Das Korrektursignal ##K ist abhängig von der Differenz aus dem Signal #S des ersten Kursgebers 1 und dem Kurssignal 6n~1 aus dem vorherigen Rechenzyklus, wobei diese Differenz mit den Subtraktionsmitteln 10 gebildet wird. Damit nun bei grs3eren Störungen des Erdmagnetfeldes die Nachführung des Kurssignales Gn in Abhängigkeit des Korrektursignales nicht zu schnell erfolgt, wird mittels der Begrenzungseinrichtung 11 ein Grenzwert # #G für das Differenzsignal ##S eingeführt. Überschreitet das Differenzsignal den vorwählbaren Grenzwert, so erfolgt die Nachführung mit einer geringen konstanten Geschwindigkeit. Die Nachführung erfolgt nichtlinear, wobei für große Magnetfeldstörungen die Nachführung geringer ist als bei kleinen Störungen, so daß dann der Kurswinkel Gn im wesentlichen durch den zweiten Kursgeber 2 bzw. von der Lenkmechanik bestimmt wird. Zur optimalen Anpassung des Nachführverhaltens an die zu erwartenden Störungen sind daher Korrekturmittel 12 vorgesehen, welche das Differenzsignal ##SG mit einem veränderbaren Abschwächungsfaktor K multiplizieren und das genannte Korrektursignal # bk bilden. Nach dem Einschalten der Meßeinrichtung wird der Faktor K = 1 gesetzt und der Kurswinkel Gen wird unmittelbar auf das Signal des Kursgebers 1 nachgeführt.
• Dies erfolgt während der Aufschaltzeit und zwar solange, bis das Differenzsignal aBS kleiner wird als der Grenzwert t GG. Auf diese Weise wird sichergestellt, daß auch bei einem anfangs fehlerhaften Steuerwinkel αn die Meßeinrichtung sehr schnell einsatzbereit ist. Um eine möglichst kurze Aufschaltzeit zu erreichen, wird die die Reduktion des Steuerwinkels α n bestimmende Zeitkonstante möglichst klein gewählt. Nach Beendigung der Aufschaltzeit bzw. nach Unterschreiten des Grenzwertes # #G wird der Faktor K auf den Wert K1 zur proportionalen Nachführung gesetzt. Für den Abschwächungsfaktor K1 gilt die Beziehung: ar- t 0 K1 = # #G wobei mit #der größte Nachführgeschwindigkeit und mit t die Dauer eines Rechenzyklus bezeichnet sind.
• Die Nachführgeschwindigkeit wird zweckmäßig hoch yorgewählt, damit der Fehlereinfluß bedingt durch den zweiten Kursgeber 2 möglichst gering ist.
• Überschreitet bei großen Magnetfeldstörungen der Differenzwinkel # #S den Grenzwert ##G, so wird zur konstanten Nachführung der Abschwächungsfaktor K auf einen Wert K2 gesetzt, damit das Kurssignal im wesentlichen durch die Signale des zweiten Kursgebers 2 bestimmt wird. Hierbei sollen vor allem die Driftfehler des zweiten Kursgebers 2 ausgeglichen werden. Da die Driftfehler bzw. die Driftgeschwindigkeit, insbesondere von der Fahrzeuggeschwindigkeit sowie dem Spiel der Lenkmechanik des Fahrzeuges abhängen, wird der Abschwächungsfaktor K2 entsprechend vorgegeben. Für den Abschwächungsfaktor K2 gilt zweckmäßig die Beziehung: #G . t0 K2 = # #G wobei mit #G die erforderliche Nachführgeschwindigkeit bei großen Magnetfeldstörungen bezeichnet wird. In einer alternativen Ausführungsform wird im Falle der Begrenzung anstelle der Nachführung mit einem konstanten Faktor K2 eine zeitlich veränderbare Nachführung vorgenommen, wobei die Nachführgeschwindigkeit zweckmäßig mit dem Wert Null beginnt und mit der Zeit größer als die Driftgeschwindigkeit wird.
• Das zur nichtlinearen Nachführung gemäß obigen Ausführungen gebildete Korrektursignal A& wird den Additionsmitteln 9 zugeführt, mittels welchen das Kurssignal #n gebildet wird. Das Kurssignal #n wird ebenso wie die Wegsignale n des Weggebers 5 in einen Navigationsrechner 13 eingegeben, um in bekannter Weise über Koppelnavigationsrechnungen den Standort des Fahrzeuges zu ermitteln.

Claims (1)

1. Meß einrichtung Patentansprüche 1. Meßeinrichtung zur Bestimmung des Kurses eines Fahrzeuges, enthaltend einen ersten Kursgeber.

   welcher auf das Erdmagnetfeld anspricht und Signale entsprechend dem magnetischen Steuerkurs erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer kurzzeitstabiler Kursgeber (2) oder Kursänderungsgeber vorgesehen ist, und daß Mittel (10, 11, 12) vorgesehen sind, um in Ab hängigkeit der Signale(#S,αn) der beiden Kursgeber (1, 2) ein Korrektursignal (t Gk) derart zu erzeugen, daß bei Störungen des wrdmagnetfeldes das Kurssignal (#n) im wesentlichen durch das Signal (x n) des zweiten Kursgebers (2) bestimmt wird.

   Patentansprüche 2. Meßeinrichtung nach Anspruch t, dadurch gekennzeichnet, daß das Kurssignal (#n) mittels Additionsmitteln (9) gebildet wird aus dem jeweils vorherigen Kurssignal ( ~ 1), dem Kurswinkeländerungssignal (# #L), des zweiten Kursgebers (2) oder Kursänderungsgebers , sowie dem Korrektursignal (t Gk).

   3. Meßeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Kursgeber (2) den Steuerwinkel (cz n) der Lenkung des Fahrzeugs erfaßt.

   4. Meßeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Kursgeber (2) einen mit der Lenksäule des Fahrzeuges gekoppelten Impulsgeber (3) enthalt.

   5. Meßeinrichtung, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Impulsgeber (3) des zweiten Kursgebers (2) Additionsmittel (4) nachgeschaltet sind, in welchen die Impulse I des Impulsgebers (3) aufsummiert werden und zu dem vorherigen Steuerwinkel (α n-1) unter Berücsichtigung eines Reduktionsfaktors (ko), , welcher kleiner Eins ist, addiert werden.

   6. Meßeinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß den Additionsmitteln (4) ein Signal entsprechend der Fahrzeuggeschwindigkeit (v) zugeführt wird und daß der Reduktionsfaktor (ko) in Abhängigkeit der Fahrzeuggeschwindigkeit (v) veränderbar ist.

   Patentansprüche 7. Meßeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Reduktionsfaktor nach der Beziehung K0 v/v0 verändert wird, wobei v0 die Fahrzeuggrenzgeschwindigkeit darstellt.

   8 Meßeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Rechenmittel (8) zur Bestimmung des Kurswinkeländerungssignales (# #L) vorgesehen sind, welchen der Steuerwinkel {« n) sowie die Fahrzeuggeschwindigkeit (v) zugeführt werden.

   9. Meßeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Subtraktionsmittel (10) vorgesehen sind, um aus dem vorherigen Kurswinkel (#n-1) und dem Signal (#s) des ersten Kursgebers (1) ein Differenzsignal (##s) zu bilden.

   10. Meßeinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Begrenzung des Differenzsignales (##s) Begrenzungsmittel (11) vorgesehen sind, in welche ein vorwählbarer Grenzwert(##@)eingebbar ist.

   11. Meßeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Differenzsignal ( s) Korrekturmitteln (12) zugeführt wird, in welchen unter Berücksichtigung eines Abschwächungsfaktors (K) das Korrektursignal (##k) gebildet wird.

   12. Meßeinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekenn- Patent ansprüche zeichnet, daß der Abschwächungsfaktor (K), insbesondere in Abhängigkeit des 3ifferenzsignahes verschiedene Werte aufweist, so daß eine nichtlineare Nachführung des Kurssignales (in) erreicht wird.

   13. Meßeinrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß dem Abschwächungsfaktor nach dem Einschalten zunächst der Wert Eins, nach Unterschreiten des Grenzwertes (##G) der Wert K1 zur proportionalen schnellen Nachführung und bei Überschreiten des Grenzwertes(##G)der Wert K2 zur konstanten geringen Nachführung zugewiesen wird.

   14. Meßeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch den Einsatz in einer Navigations- oder Ortungsanlage, in welcher mittels eines Navigationsrechners (13) insbesondere aus den Kurssignalen (tun) sowie den Wegsignalen (n) eines die Fahrstrecken des Fahrzeugs erfassenaen Weggebers (5) der jeweilige Fahrzeugstandort bestimmbar ist.