DE3143234C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Navigationsvorrichtung zur Naviga­ tion von Landfahrzeugen mit einem Kursreferenzgerät, welches den Kurswinkel des Fahrzeuges ermittelt, einen Weggeber zur Erzeugung eines der Raddrehzahl entsprechenden Signals, einen Lotfühler, welcher die Abweichung der Fahrzeughoch­ achse von den Vertikalen sensiert, wobei aus den Signalen des Lotfühlers ein Korrektursignal abgeleitet wird und einem Rechner, welcher mittels des Signales des Weggebers, dem Korrektursignal und dem Kurswinkel ein Positionssignal er­ zeugt.

Aus der DE-OS 27 44 431 ist ein solches Navigationsgerät be­ kannt. Bei diesem Navigationsgerät werden die Signale von zwei Lage- bzw. Lotfühlern einem Rechner zugeführt, welcher zur Berechnung der Lagewinkel bzw. des Sinus und Kosinus der­ selben eingerichtet ist. Mittels dieser Information führt der Rechner eine Koordinatentransformation durch, d. h., die fahrzeugfesten Koordinaten, welche durch den Kurswinkel des Kursreferenzgeräts bestimmt sind, werden in ein erdfestes Koordinatensystem und einen darauf bezogenen Kurswinkel trans­ formiert. Ferner wird ein Kompensationssignal zur Kompensa­ tion der Drift in dem fahrzeugfesten Koordinatensystem gebil­ det. Mittels diesem Verfahren soll auch eine Navigation in einem unebenen Gelände ermöglicht werden. Es wird jedoch nicht berücksichtigt, daß gerade in unebenem Gelände, aber auch auf ebenem Gelände eine Verfälschung der Kursbestim­ mung durch unterschiedlichen Schlupf zwischen Fahrzeugrädern und Boden auftreten kann. Die Fehler, welche durch Schlupf entstehen, sind besonders bei nachgiebigem Boden erheblich und können nicht vernachlässigt werden.

Es ist weiterhin aus der Beschreibung und Bedienungsanlei­ tung für die "Fahrzeugnavigationsanlage FNA 4-15" der Firma TELDIX GmbH ein Koppelnavigationsverfahren bekannt, bei wel­ chem ein nordsuchender Kreisel die Nordrichtung bestimmt und mit diesem Bezug und einem von einem Kurskreisel gelie­ ferten Kurssignal die Fahrtrichtung ermittelt wird. Ferner ist ein Weggeber vorgesehen, welcher die zurückgelegte Strecke mißt, wobei mit Hilfe dieser Meßsignale die Posi­ tion des Fahrzeugs ständig überwacht werden kann. Der Wegge­ ber besteht aus einem Sensor, welcher die Drehzahl der An­ triebswelle oder eines der angetriebenen Räder sensiert. Da die so ermittelte, zurückgelegte Wegstrecke jedoch durch einen Schlupffehler oder fahrzeugspezifische Übertragungs­ fehler verfälscht sein kann, wird das Wegsignal des Wegge­ bers mittels einer Weganpassungseinrichtung korrigiert, so daß näherungsweise das Wegsignal mit dem tatsächlich zurück­ gelegten Weg übereinstimmt. Die Korrektur erfolgt dadurch, daß mit dem Fahrzeug in einer Meßfahrt eine in der Länge ge­ nau bekannte Strecke zurückgelegt wird und nach Zurücklegen dieser Strecke die angezeigte Länge mittels eines Faktors so korrigiert wird, daß die tatsächliche Länge der Strecke angezeigt wird. Diese Korrektur wird manuell vorgenommen, d. h., der Faktor wird anhand von Bedienelementen in die Weganpassungseinrichtung eingegeben. Wird beispielsweise festgestellt, daß sich bei einer Navigationsfahrt die Bo­ denbeschaffenheit der von dem Fahrzeug befahrenen Wegstrecke ändert, dann ist eine manuelle Verstellung des Faktors in bestimmten Grenzen möglich. Diese Verstellung beruht jedoch lediglich auf Schätz- und Erfahrungswerten und kann keinen genauen Aufschluß über den tatsächlichen Schlupf zwischen Fahrzeugräder und Boden geben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Schlupf zwi­ schen Fahrzeugräder und Boden zu jedem Zeitpunkt zu bestim­ men und mittels diesem Schlupf eine Korrektur der Positions­ anzeige vorzunehmen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß aus Amplitude und Frequenz der mittels des Lotfühlers sensier­ ten Roll- und Nickbewegungen des Fahrzeugs das Oberflächen­ profil des von dem Fahrzeug benutzten Fahrweges ermittelt und daraus ein dem Radschlupf entsprechendes Signal abgelei­ tet wird zur Korrektur des von dem Weggeber erzeugten Sig­ nals.

Die Aufgabe kann auch dadurch gelöst werden, daß aus dem Weggebersignal ein Beschleunigungssignal abgeleitet wird und aus dem von dem Lotfühler gelieferten Signal ein der Längsbeschleunigung des Fahrzeugs entsprechendes Signal ge­ bildet wird und durch Vergleich dieser Signale ein dem Radschlupf entsprechendes Signal zur Korrektur des Wegsig­ nals ermittelt wird.

Es ist bekannt, daß bei einem unbefestigten Fahrgweg, bei­ spielsweise einem Waldweg oder auch bei offenem Gelände, eine mehr oder weniger starke Oberflächenrauhigkeit oder ein sehr unterschiedliches Oberflächenprofil des Fahrweges vorliegt. Mittels auf diesen Fahrwegen empirisch ermittel­ ten Schlupfwerten läßt isch ein Zusammenhang zwischen Ober­ flächenprofil und Schlupf feststellen, wobei der Schlupf umso größer ist, je größer das Oberflächenprofil des Fahr­ weges ist. Anhand einer Reihe von Vergleichsdaten, welche auf mehreren Meßfahrten gewonnen werden, und die fest ab­ gespeichert werden, läßt sich während einer Navigations­ fahrt bei Kenntnis des Oberflächenprofils der entsprechen­ de Schlupf feststellen und ein Weggebersignal korrigieren.

In einer weiteren Lösung wird durch Vergleich der Längsbe­ schleunigungssignale, welche von Lotfühler und Weggeber geliefert werden, eine Beschleunigungsdifferenz gebildet, die ursächlich durch Schlupf hervorgerufen wird. Somit ergibt sich der in der Korrektur des Wegsignales zu be­ rücksichtigende Schlupf direkt und proportional aus der Be­ schleunigungsdifferenz.

In einer vereinfachten Art der Schlupfbestimmung ist es auch möglich, lediglich das von dem Weggebersignal abgelei­ tete Beschleunigungssignal für eine Korrektur des Wegsig­ nals anzuwenden. Hierzu ist es lediglich notwendig, mehrere Vergleichswerte, welche eine Beziehung zwischen Beschleuni­ gungssignal und Korrektursignal beinhalten, abzuspeichern und diese entsprechend der jeweiligen Beschleunigung abzu­ fragen und mittels dem jeweiligen Korrektursignal eine Kor­ rektur durchzuführen.

Die von Wegmessung und Lotsensierung abgeleiteten Beschleu­ nigungssignale werden ständig verglichen. Ein daraus abge­ leitetes Differenzsignal, welches unmittelbar durch den Radschlupf verursacht wird, steuert eine Einstellung des Korrektursignals auf den entsprechenden Wert.

Werden mehrere Messungen der Beschleunigungssignale zu einer Mittelwertbildung berücksichtigt, dann kann erst nach einer gewissen Meßzeit und nach Abschluß der Mittelwertbil­ dung eine Korrektur durchgeführt werden. In gleicher Weise erfordert auch die Bestimmung des Bodenprofils aus den Roll- und Nickbewegungen eine bestimmte Meßzeit. Während der Meßzeit legt das Fahrzeug jedoch eine bestimmte weitere Strecke zurück. Um den Positionsfehler des Fahrzeugs mög­ lichst gering zu halten, wird in einer Ausgestaltung der Erfindung das nach der Meßzeit ausgewertete Korrektursignal nicht nur für die folgende Wegstrecke berücksichtigt, son­ dern es wird gleichzeitig für das während der Meßzeit zu­ rückgelegte Wegstück eine Korrektur des Weggebersignals und somit eine Positionskorrektur vorgenommen. Diese Posi­ tionskorrektur kann durch Stauchung oder Streckung der zu­ rückgelegten Wegstrecke erfolgen. Hierbei ist jedoch eine eventuell vorhandene Drift eines Kursreferenzgeräts zu be­ rücksichtigen.

Aus dem Weggebersignal wird in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ein Geschwindigkeitssignal abgeleitet und an­ hand diesem Geschwindigkeitssignal ein Korrektursignal ge­ bildet, welches beispielsweise bei einer hohen Geschwindig­ keit den dabei entstehenden, größeren Schlupffehler kompen­ siert, d. h., dieses Korrektursignal bewirkt geschwindig­ keitsbezogen eine Korrektur des Weggebersignals. Es ist in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, das Signal eines Lotfühlers, welcher die mittlere Neigung der Fahrzeuglängsachse zu der Horizontalen sensiert, derart auszuwerten, daß die auf einer Steigung oder einem Gefälle zurückgelegte Wegstrecke anhand des festgestellten Neigungs­ winkels auf die projezierte Strecke übertragen werden kann und damit eine weitere Verbesserung der Positionsbestimmung erreicht wird. Die Wegmessung auf einer mit Steigung und Ge­ fälle behafteten Wegstrecke wird auch durch den dabei auf­ tretenden neigungsabhängigen Schlupf verfälscht, durch eine Steigung wird eine scheinbar größere Fahrstrecke angezeigt, während bei Gefälle die angezeigte Fahrstrecke sich ver­ kürzt. Dieser neigungsabhängige Schlupf kann ebenfalls mit­ tels dem genannten Signal des Lotfühlers bestimmt und kom­ pensiert werden.

Eine zusätzliche Korrekturmethode kann in einer vorteilhaf­ ten Weise die Genauigkeit der Positionsbestimmung dadurch erhöhen, daß nach einer gewissen Fahrzeit ein geographischer Punkt angefahren wird, dessen Koordinatenwerte bekannt sind.

Bei diesem Fixpunkt wird nun ein Vergleich zwischen den vom Rechner ermittelten Fahrzeugkoordinaten und den Koor­ dinatenwerten des Standortes durchgeführt und eine even­ tuell vorhandene Abweichung bzw. Differenz ermittelt. Die­ se Differenz wird für die nachfolgende Fahrstrecke zur weiteren Korrektur des vom Weggeber gebildeten Signals an­ gewendet. Die Differenzbildung kann immer dann durchge­ führt werden, wenn die Koordinatenwerte des Standorts be­ kannt sind und führt zu einer ständigen Verbesserung der Genauigkeit der Positionsanzeige.

Um die Summe der bei der Wegmessung auftretenden Fehler zu erfassen ist es in einer weiteren Art möglich, einen be­ liebigen Korrekturwert mit einer unterschiedlichen Wertung versehen dem Weggebersignal aufzuschalten und bei einem Vergleich zwischen der vom Rechner ermittelten Position und der tatsächlichen Fahrzeugposition die Wertung, welche von der tatsächlichen Fahrzeugposition die geringste Ab­ weichung aufweist, für die weitere Fahrstrecke zugrunde zu legen. Im einzelnen geschieht diese Korrektur dadurch, daß zu dem vom Weggeber erzeugten Signal ω ₀ eine Korrektur­ größe Δω _k aufaddiert und in einer zweiten Berechnung sub­ trahiert wird und die so erhaltenen zwei Werte abgespei­ chert werden. Ferner wird noch das vom Weggeber erzeugte Signal ohne Aufschaltung der Korrekturgröße abgespeichert. Bei dem bekannten Standort werden diese drei Wegsignale mit den tatsächlichen Positionsdaten verglichen und das Wegsignal mit der geringsten Abweichung von diesen Daten ermittelt. Dieses Wegsignal dient bei der nachfolgenden Fahrt zur kontinuierlichen Bestimmung der Fahrzeugposition, wobei für eine spätere Vergleichskorrektur dieses Signal ebenfalls mit unterschiedlich aufgeschaltetem Korrektur­ faktor versehen abgespeichert wird. Hiermit wird eine ständige Verbesserung der ermittelten Wegstrecke bzw. eine gute Anpassung der Wegermittlung an die Fahrwegbeschaffen­ heit erreicht.

Die Erfindung ist nachstehend an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 - in einem Blockdiagramm die Verar­ beitung der Signale von Weggeber und Lotfühler bei Berücksichtigung der Roll- und Nickbewegungen,

Fig. 2 - in einem Blockdiagramm die Signal­ verarbeitung mit Beschleunigungs­ vergleich.

In Fig. 1 ist ein Wegsignalgeber 1 dargestellt, welcher ein der Drehzahl eines Fahrzeugrades oder ein dieser Drehzahl entsprechendes Signal s erzeugt. Dieses Signal s wird mit einem Differentialglied 3 differenziert und das somit erhaltene geschwindigkeitsproportionale Signal v _s in einem Umformer in den Korrekturfaktor K _v umgewandelt. Diese Umformung wirkt derart, daß bei geringer Geschwindig­ keit keine oder nur eine geringe Korrektur bei sehr hoher Geschwindigkeit jedoch eine große Korrektur zur Kompensa­ tion des geschwindigkeitsabhängigen Schlupfs vorgenommen wird. Das Korrektursignal K _v wird einem Knotenpunkt 7 zu­ geführt.

Weiterhin ist ein Lotfühler 2 dargestellt, welcher bei­ spielsweise durch einen Filter ein Signal α _N erzeugt, wel­ ches der Längsneigung des Fahrzeuges bzw. der Steigung oder dem Gefälle des Fahrweges entspricht. Die Korrektur bzw. die Wegverkürzungsberechnung, die hiermit vorgenommen werden soll, wird durch die Umformung des Signals α _N in den Korrekturfaktor K _N mit dem Umformer 5 ausgeführt. Das erhaltene Signal K _N gelangt ebenfalls zu dem Knotenpunkt 7.

Der Lotfühler 2 reagiert ferner auch auf kurzfristige Än­ derungen der Fahrzeuglage, erfaßt also sämtliche Roll- und Nickbewegungen des Fahrzeugs und ist damit in der La­ ge, ein Signal α _s abzugeben, mit welchem man auf das Oberflächenprofil des Fahrweges schließen kann. Dieses Signal α _s beinhaltet nebst Amplitude auch die Frequenz der Fahrzeugbewegungen. Aus mehreren Meßfahrten wird an­ hand dieser Fahrzeugbewegungen auf den Radschlupf bei be­ stimmter Amplitude und Frequenz der Fahrzeugbewegungen geschlossen. Dieses Verhältnis von Schlupf zu den Fahr­ zeugschwingungen wird für mehrere Oberflächenprofile des Fahrwegs abgespeichert und dient als schwingungsabhängi­ ger Korrekturwert Ks, welcher in dem Umformer 6 gebildet und dem Knotenpunkt 7 zugeführt wird. Dieses Verfahren beruht auf der Feststellung, daß ein Fahrweg mit glatter Oberfläche einen geringeren Schlupf verursacht als bei­ spielsweise eine unbefestigte Straße oder ein offenes Ge­ lände, welches normalerweise eine sehr unebene Oberfläche aufweist.

Die dem Knotenpunkt zugeführten Korrektursignale bilden ein Summensignal K _{A 1}, mit welchem im Multiplikationsglied 8 mit dem Signal des Weggebers 1 multipliziert ein Weg­ signal S _{N 1} gebildet wird, welches mit hoher Genauigkeit den tatsächlich zurückgelegten Weg darstellt.

In Fig. 2 ist eine weitere Möglichkeit der Wegkorrektur dargestellt. Hierzu ist ebenfalls ein Wegsignalgeber 1 und ein Lotfühler 2 vorgesehen. Aus dem Signal s des Weg­ gebers wird durch zweimalige Differentiation in den Dif­ ferentialgliedern 9, 10 ein Beschleunigungssignal α _s gewonnen. Dieses Beschleunigungssignal α _s wird einem Vergleicher 11 zugeführt. Dem Vergleicher wird weiterhin ein Signal α _L zugeführt, welches der Längsbeschleunigung des Fahrzeugs entspricht und mit Hilfe des Lotfühlers 2 bzw. dem von diesem Lotfühler angezeigten Scheinlot ge­ bildet wird. Durch Vergleich der beiden Längsbeschleuni­ gungssignale α _L und α _s kann unmittelbar ein Schlupf zwi­ schen Untergrund und Fahrzeugräder bei einer Beschleuni­ gung festgestellt werden. Das dem Schlupf entsprechende Signal K _{A 2} wird dem Multiplikationsglied 12 zugeführt. Zur Korrektur des geschwindigkeitsabhängigen Schlupfes wird - wie in Fig. 1 angeführt - aus dem geschwindigkeits­ proportionalen Signal v _s ein Korrekturfaktor K _v mittels des Umformers 14 gebildet und ebenfalls dem Multiplika­ tionsglied 12 zugeführt. In gleicher Weise wie in Fig. 1 dargestellt, wird aus einem der Neigung der Fahrzeuglängs­ achse gegenüber der Horizontalen entsprechenden Signal α _N ein Wegverkürzungsfaktor K _N mittels des Umformers 13 ge­ bildet, der als dritte Korrekturgröße die Wegkorrektur be­ einflußt. Die Korrekturfaktoren K _{v 1} und K _{v 2} und K _N werden in dem Multiplikationsglied 12 mit dem Signal 5 des Weg­ gebers 1 multipliziert, so daß ein Signal S _{N 2} gebildet wird, welches der tatsächlich zurückgelegten Fahrstrecke des Fahrzeugs entspricht.

Claims (11)

1. Navigationsvorrichtung zur Navigation von Landfahrzeu­ gen mit einem Kursreferenzgerät, welches den Kurs­ winkel des Fahrzeuges ermittelt, einen Weggeber zur Erzeugung eines der Raddrehzahl entsprechendes Sig­ nal, einen Lotfühler, welcher die Abweichung der Fahrzeughochachse von der Vertikalen sensiert, wobei aus den Signalen des Lotfühlers ein Korrektursignal abgeleitet wird und einem Rechner, welcher mittels dem Signal des Weggebers, dem Korrektursignal und dem Kurswinkel ein Positionssignal erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß aus Amplitude und Frequenz der mittels des Lotfühlers (2) sensierten Roll- und Nick­ bewegungen des Fahrzeugs das Oberflächenprofil des von dem Fahrzeug benutzten Fahrweges ermittelt und daraus ein dem Radschlupf entsprechendes Signal ab­ geleitet wird zur Korrektur des von dem Weggeber (1) erzeugten Signals.

2. Navigationsvorrichtung zur Navigation von Landfahrzeugen mit einem Kursreferenzgerät, welches den Kurswinkel des Fahrzeugs ermittelt, einen Weggeber zur Erzeu­ gung eines der Raddrehzahl entsprechendes Signal, einen Lotfühler, welcher die Abweichung der Fahrzeug­ hochachse von der Vertikalen sensiert, wobei aus den Signalen des Lotfühlers ein Korrektursignal abgelei­ tet wird und einem Rechner, welcher mittels dem Sig­ nal des Weggebers, dem Korrektursignal und dem Kurs­ winkel ein Positionssignal erzeugt, dadurch gekenn­ zeichnet, daß aus dem Weggebersignal (s) ein Beschleu­ nigungssignal (α _s ) abgeleitet wird und aus dem von dem Lotfühler (2) gelieferten Signal (α _L ) ein der Längsbeschleunigung des Fahrzeugs entsprechendes Sig­ nal gebildet wird und durch Vergleich dieser Signale ein den Radschlupf entsprechendes Signal (K _{A 2}) zur Korrektur des Wegsignals (s) ermittelt wird.

3. Navigationsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß mittels dem Korrektursig­ nal (K _{A 1}) auch für den zurückgelegten Weg eine Korrektur des vom Weggeber (1) erzeugten Signals (s) vorgenommen wird.

4. Navigationsvorrichtung, insbesondere nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Weggeber­ signal (s) ein Geschwindigkeitssignal (V _s ) abgeleitet wird, und daß mittels diesem Geschwindigkeitssignal ein Korrektursignal (K _v ) gebildet wird zur Verringe­ rung von geschwindigkeitsabhängigen Meßfehlern.

5. Navigationsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das aus dem Geschwindigkeitssignal ge­ bildete Korrektursignal (K _v ) entsprechend der Fahr­ wegoberfläche und/oder -beschaffenheit eingestellt wird.

6. Navigationsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem von einem Lotfühler (2) sensierten Winkel (α _N ) zwischen Fahr­ zeuglängsachse und Horizontale ein Korrektursignal (K _N ) gebildet wird zur Verringerung von neigungsab­ hängigen Meßfehlern.

7. Navigationsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Korrektursignal K _N ungefähr zwischen 0,3 und 2,0% pro 1% Steigung des Fahr­ wegs bezogen auf die zurückgelegte Fahrstrecke be­ trägt.

8. Navigationsvorrichtung, insbesondere nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Ver­ gleich zwischen der vom Rechner ermittelten Fahr­ zeugposition und der durch eine Standortkennzeich­ nung feststellbare, tatsächliche Fahrzeugposition der Unterschied zwischen angezeigtem und tatsäch­ lich zurückgelegtem Weg ermittelt und für die nach­ folgende Fahrstrecke mittels diesem Unterschied ein Wegkorrekturfaktor gebildet wird.

9. Navigationsvorrichtung, insbesondere nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Korrektur­ wert mit unterschiedlicher Wertung dem Weggebersig­ nal aufgeschaltet wird und bei einem Vergleich zwi­ schen der vom Rechner ermittelten Fahrzeugposition und der tatsächlichen Fahrzeugposition die Wertung, welche eine der tatsächlichen Fahrzeugposition am genauesten entsprechende ermittelte Fahrzeugposi­ tion ergibt, für die weitere Ermittlung der Fahr­ zeugposition zugrunde gelegt wird.

10. Navigationsvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß mit dem vom Weggeber erzeugten Sig­ nal ω ₀ nach den Beziehungen ω ₁ = ω ₀
ω ₂ = ω ₀ + Δω _k
ω ₃ = ω ₀ - Δω _k drei Wegsignale ω _1-3 gebildet werden, wobei Δω _k der mit unterschiedlicher Wertung dem Weggebersignal ω ₀ beaufschlagte Korrekturwert darstellt.

11. Navigationsvorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß bei jedem weiteren Vergleich der ermittelten und der tatsächlichen Fahrzeugposition das Wegsignal, bei welchem die geringste Abweichung der ermittelten Fahrzeugposition von der tatsäch­ lichen Fahrzeugposition festgestellt wurde, eben­ falls mit dem mit unterschiedlicher Wertung verse­ hene Korrekturwert beaufschlagt wird.