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Navigationshilfe für ein Fahrzeug
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Die Erfindung betrifft eine Navigationshilfe für ein Fahrzeug, enthaltend
eine Fahrzeugnavi gationsanl age mit Ri chtungssensor und Weggeber die nach dem
Koppelnavigationsverfahren den augenblicklichen Standort ermittelt, eine Richtungs-
und Entfernungsanzeige und eine Landkarte in welcher Ziel punkt und Ausgangsort
enthalten sind zur Bildung eines Zielvektors.
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Aus der DE-OS 29 41 331 ist eine solche Navigationshilfe für Straßenfahrzeuge
bekannt. Diese zeigt dem Fahrer kontinuierlich die Ziel richtung und Ziel entfernung
an.
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Als Startvorbereitung muß der Zielvektor in das Anzeigegerät eingegeben
werden, z.B. durch Eingabe der relativen Koordinaten X, Y die aus Landkarte bzw.
Stadtplan entnommen werden. Die Ermittlung der Koordinaten ist jedoch aufwendig,
Fehimessungen sind nich auszuschließen.
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Weiterhin ist eine Bedienungsanleitung FOA 25 der Fa.
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Tel dix GmbH bekannt. Die dort beschriebene Navigationshilfe bzw.
Fahrzeug-Ortungs-Anlage besitzt ein autonomes Koppelnavigationssystem, das die benötigten
Eingangsdaten mit bordeigenen Mitteln bestimmt. Koppeln bedeutet,
daß
die Ortsveränderung des Fahrzeugs festgestellt und zum Ausgangsort hinzugefügt wird.
Die Anlage mißt den zurückgelegten Weg in kleinen Teilstrecken (Inkrementen) und
die dazugehörenden Fahrtrichtungswerte. Der Navigationsrechner bestimmt daraus die
Nord/Süd- und Ost/West-Komponenten des zurückgelegten Weges. Diese Werte werden
zu den Koordinaten des Ausgangsortes addiert und liefern dann den Fahrzeugstandort.
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Ein Kartengerät, in welchem eine Landkarte eingelegt ist, mit einem
Balkenkreuz, das über der Landkarte verschiebbar angeordnet ist, zeigt den Fahrzeugstandort
im Kreuzungspunkt des Balkenkreuzes auf der Landkarte an.
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Außerdem wird die Fahrtrichtung ständig mit einem Zeiger auf einer
Kursrose dargestellt.
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Soll das Fahrzeug ein bestimmtes Ziel ansteuern, dann ist es erforderlich,
die Richtung, in welcher das Ziel, liegt zu kennen und den Fahrtverlauf auf dem
Kartengerät zu überwachen, um die Zielrichtung beizubehalten. Da die Anlage im wesentlichen
in militärischen Fahrzeugen Verwendung findet, kann diese Aufgabe von einem Beifahrer
bzw. einem Navigator übernommen werden. Für den Individual verkehr ist jedoch dieses
System zu aufwendig und kann zu Fehl reaktionen des Fahrers führen.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Navigationshilfe für ein
Fahrzeug zu schaffen, die zur einfachen Eingabe des Zielrichtungsvektors geeignet
ist und eine genaue Anzeige gestattet.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Landkarte, und/oder der
Karte zuordenbare Hilfsmittel mit Markierungen versehen sind, mittels derer der
Zielvektor bezogen auf den Standort bzw. Standpunkt, mit großer Genauigkeit bestimmbar
ist und eine Auswerteschaltung (3, 4, 5, 6) vorgesehen ist, die aus Ziel vektor
und Koppelrechnung die augenblickliche Zielrichtung und Zielentfernung ermittelt.
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Weitere Merkmale und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben
sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines AusführungsbeispiSels anhand der Zeichnungen,
insbesondere in Verbindung mit den Unteransprüchen.
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Es zeigen Fig. 1 eine Anordnung der Elemente einer Navigationshilfe
in Blockdiagrammdarstellung, Fig. 2 den Ausschnitt einer Landkarte mit bezifferten
markanten Geländepunkten, Fig. 3a-f einen Landkartenausschnitt mit aufgelegten Rasterfolien
unterschiedlicher Ausbildung.
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Die Navigationshilfe wie in Fig. 1 dargestellt, enthält einen Weggeber
1 zur Anzeige des zurückgelegten Weges und einen Richtungssensor 2, beispielsweise
eine Erdfeldmeßsonde. Die Signale dieser Meßwertgeber werden einem Navigationsrechner
3 zugeführt. An dem Navigationsrechner 3 sind außerdem je ein Eingabegerät für Nordkoordinaten
4 und Ostkoordinaten 5 angeschlossen. Ein Richtungsanzeiger 6a erhält ein von dem
Rechner gebildetes Ausgangssignal und zeigt die Zielrichtung an. Ein Entfernungsanzeiger
6b stellt die Ziel entfernung dar. Nachfolgend wird die Funktionsweise beschrieben.
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Vor Beginn einer Fahrt werden mit den Eingabegeräten 4, 5 die Standortkoordinaten
und die Zielkoordinaten, die beispielsweise aus einer Landkarte entnommen werden,
die mit einem UTM-Koordinatennetz versehen ist, eingegeben.
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Dies geschieht z.B. mit einem hier nicht näher dargestellten Tastenfeld
oder mit Einstellelementen. Der Navigationsrechner bildet daraufhin einen Ziel vektor,
dessen Richtung, bezogen auf die Fahrzeuglängsachse, mit dem Richtungsanzeiger 6a
anzeigt wird. Während der Fahrt wird mit den Meßwerten von Weggeber 1 und Richtungssensor
2 von dem Navigationsrechner eine Koppel rechnung durchgeführt und kontinuierlich
ein Vektor zwischen momentanem Standort und Ziel gebildet und dessen Richtung dem
Richtungsanzeiger 6a zugeführt. Dieser stellt sich entsprechend den zugeführten
Werten kontinuierlich nach, d.h., bis zum Erreichen des Ziels wird immer die kürzeste
Verbindung zum Ziel angezeigt. Ferner wird noch die Entfernung zum Ziel mit dem
Entfernungsanzeiger 6b angezeigt. Damit ist es dem Fahrer möglich, ohne Kenntnisse
des zu befahrenden Geländes und ohne Orientierungshilfen wie Karten, Koordinatenvergleich
u.a., das Ziel auf dem kürzesten Weg zu erreichen.
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Viele Landkarten enthalten jedoch keine Koordinatenangaben bzw. nur
sehr ungenaue Rastereinteilungen. Um auch hier mit einer Navigationshilfe arbeiten
zu können, ist eine nachfolgend erläuterte Ergänzung einer Landkarte vorgesehen.
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Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt einer solchen Landkarte.
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Diese Landkarte ist mit Ziffern versehen, die vorzugsweise an markanten
Geländepunkten oder Straßenkreuzungen angeordnet sind. Diesen Ziffern sind am Rande
der Landkarte die entsprechenden Koordinatenwerte zugeordnet.
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Anhand dieser Koordinatenwerte wird zu Beginn einer
Fahrt
die Startposition 19 und die Zielposition 13 in den Navigationsrechner 3 über die
Eingabegeräte 4, 5 eingegeben. Um eine dem Straßenverlauf annähernd entsprechende
Anzeige der Zielrichtung zu erhalten ist es vorteilhaft, Zwischenzielpunkte (hier
dargestellt durch die Ziffern 1, 2, 9, 11) ebenfalls mit den entsprechenden Koordinatenwerten
einzugeben. Diese Zwischenzielpunkte werden im Navigationsrechner 3 fortlaufend
abgespeichert. Während der Fahrt zeigt der Richtungsanzeiger 6 auf den jeweils nächsten
Zwischenzielpunkt. Bei Erreichen dieses Punktes wird durch Koordinatenvergleich
bzw.
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durch Drücken einer Speicherabruftaste die Zielrichtung zum nächsten
Zwischenzielpunkt bzw. nach dem letzten Zwischenzielpunkt die Richtung zum Ziel
Punkt angezeigt.
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Um zu erkennen, ob ein Zwischenzielpunkt erreicht ist, ist eine optische
oder akustische Warneinrichtung vorgesehen, die, falls eine gewisse Übereinstimmung
der durch die Koppel rechnung gebildeten Koordinaten mit den Koordinaten des Zwischenzielpunktes
besteht, ein Signal abgibt. Aufgrund dieses Signals w-ird automatisch oder manuell
der nächste abgespeicherte Zwischenzielpunkt angezeigt. Um das Eingeben der Koordinatenwerte
von Start-Ziel- und Zwischenzielpunkten zu erleichern, enthält die Karte die Koordinatenwerte
auch in kodierter Form, beispielsweise ebenfalls am Kartenrand als Strich-Code,
wie in Fig. 2 dargestellt. Ein optischer Sensor zur Erfassung von Strich-Codes ersetzt
dabei die Eingabegeräte, d.h., das Einlesen der Koordinatenwerte erfolgt durch Abtasten
der den jeweiligen Ziffern zugeordneten Codes.
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Damit ist eine rasche Eingabe der Fahrstrecke möglich.
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Es hat sich gezeigt, daß eine besonders einfache Anwendung des Strich-Codes
dadurch erreicht wird, daß dieser auf einer Magnet- oder anderer das Kartenbild
nicht beeinträchtigender Folie aufgebracht ist und diese Folie
derart
mit der Karte in Verbindung gebracht ist, daß der Strich-Code an markanten Punkten
der Karte denen er zugeordnet ist, beginnt. Damit ist es möglich, mit dem Code-Leser
zur Startvorbereitung lediglich an den verschiedenen Punkten die die Zwischenziele
bzw. das Ziel darstellen entlang zu fahren; eine Überwachungsanzei ge zeigt daraufhin
den Punkt zur Feststellung ob der richtige Ort eingegeben wurde; dieser wird anschließend
abgespeichert.
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Eine weitere Erleichterung zur Erkennung der Fahrstrecke wird auch
dadurch geschaffen, daß am Kartenrand oder auf einem gesonderten Blatt bzw. in abgespeicherter
Form Zusatzinformationen vorgesehen sind, die vor Beginn der Fahrt entsprechend
dem Ziel oder den Zwi schenzi el en eingegeben werden. Bei Erreichen oder Anfahren
des Ziels oder Zwischenziels wird dann diese Zusatzinformation angezeigt und gibt
beispielsweise an, daß eine Einmündung folgt, eine Seitenstraße befahren werden
muß oder den Hinweis auf eine Brücke, Kirche o.ä. Außerdem kann der Name des Ziels-
oder Zwischenzielpunktes (Zielsymb9l) und die nächsten Vorgehensschritte angezeigt
werden.
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Aus der Auflistung dieser Beispiele wird deutlich, daß eine Fahrstrecke
mit dieser Navigationshilfe in beliebigem Umfang mit Informationen bestückt werden
kann die es dem Fahrer erleichtern, durch Anzeige dieser Information, in sequentieller
Folge das Ziel zu finden.
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Weitere Möglichkeiten der Eingabe von Start- und Zielkoordinaten sind
in den Fig. 3a-f dargestellt. Der Grundgedanke dieser Eingabemöglichkeiten besteht
darin, bei Nichtkenntnis der Koordinatenwerte, also bei Verwendung üblicher Landkarten,
ein Raster zu bilden, mit welchem der Koordinatenvergleicher eine Angabe über die
Richtung und Entfernung von Start und Ziel erhält.
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Ein gemeinsames Merkmal der nachstehend genannten Ausführungsbeispiel-e
ist die Verwendung eines Rasters auf einem unabhängigen Informationsträger, der
auf der Karte aufgelegt diese zur Bildung von Koordinatenwerten von Start- und Ziel
Punkt brauchbar macht. Weiterhin gemeinsames Merkmal ist ein optischer Sensor zur
Erfassung des Rasters.
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In Fig. 3a ist eine Landkarte 10 bzw. ein Ausschnitt dargestellt,
auf dem Start- und Ziel punkt erkennbar sind. Weiterhin ist als Informationsträger
eine Klarsichtfolie 11 vorgesehen, die so auf die Karte aufgelegt wird, daß diese
Start- und Ziel Punkt überdeckt und deren senkrechten Rasterlinien 12 in Nord-Süd-Richtung
ausgerichtet sind. Die waagrechten Rasterlinien 13 bestehen zur Unterscheidung von
den senkrechten Rasterlinien 12 aus zwei eng nebeneinanderliegenden Linien. Zur
Einspeicherung des Abstandes und der Richtung des Ziels vom Startpunkt wird ein
hier nicht dargestellter optische Sensor (Lichtgriffel) manuell in einer Geraden
14 von Start zum Zielpunkt bewegt. Dabei erfaßt dieser die überfahrenen waagrechten
und senkrechten Rasterlinien und berechnet nach getrennter Addition dieser Linien
die Sollfahrrichtung und Entfernung. Liegen Start- und Zielpunkt auf verschiedenen
Kartenblättern, dann muß ein Zwischenziel , das auf beiden Kartenblättern im Überlappungsbereich
liegt, ermittelt werden und die Folie 11 zuerst auf Start- und Zwischenziel und
anschließend auf Zwischenziel und Zielpunkt aufgelegt und das Abtastverfahren mit
dem optischen Sensor zweimal durchgeführt werden. Der Abstand der Rasterlinien wurde
in den Fig.
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3a-f zur besseren Erläuterung relativ groß gewählt.
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Selbstverständlich ist dieser auf einer Folie wesentlich geringer,
so daß nur unbedeutende Ungenauigkeiten durch
den nicht definierten
Bereich innerhalb eines Rasterquadrates auftreten können. Zur Genauigkeitssteigerung
kann der Startpunkt auf einem beliebigen Kreuzungspunkt der Rasterlinien gelegt
werden. Dadurch haftet lediglich dem Ziel Punkt eine geringe Unsicherheit an. Die
sensierten Rasterlinien werden während der Fahrt wie Koordinatenwerte verarbeitet
und in den Koordinatenvergleicher 3 mit den vom Weggebersignal und Richtungssensorsignal
aufgrund der Koppel rechnung gebildeten Koordinaten verglichen und dem Richtungsanzeiger
6 die Sollfahrtrichtung zugeführt.
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Die Klarsichtfolie in Fig. 3b enthält ebenfalls senkrechte und waagrechte
Rasterlinien, wobei ebenfalls eine Nord-Süd-Ausrichtung vorgenommen werden muß.
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Der Unterschied zu der in Fig. 3a dargestellten Lösung besteht darin,
die senkrechten und waagrechten Rasterlinien durch unterschiedliche Farbe zu kennzeichnen.
Zur Sensierung ist hierbei ein Lichtgriffel, beispielsweise mit zwei Sensoren, von
denen jeder für nur eine der beiden Farben empfindlich ist, erforderlich oder es
wird ein Sensor mit umschaltbarer Farbempfindlichkeit verwendet. Je nach Konzept
muß dabei der Griffel einmal oder zweimal auf einer Geraden 18 vom Start zum Ziel
Punkt bewegt werden. In Fig. 3c ist eine weitere Variante dargestellt. Die auf die
Karte in der oben angeführten Weise aufgelegte Klarsichtfolie 19 enthält senkrechte
und waagrechte Rasterlinien mit unterschiedlichem Reflexionsgrad. Damit ergeben
sich beim Abfahren der Distanz Start-Ziel 22 mit dem Lichtgriffel unterschiedliche
Impulshöhen, aus denen erkannt wird, ob es sich um senkrechte oder waagrechte Linien
handelt. In einer weiteren Ausführungsform Fig. 3d enthält die Klarsichtfolie lediglich
parallele Linien. Diese Klarsichtfolie wird in
einem ersten Verfahrensschritt
so auf die Karte gelegt, daß die Linien in Nord-Süd-Richtung verlaufen. Eine Abtastung
der Strecke Start-Ziel mit dem Lichtgriffel erfaßt die zwischen diesen beiden Punkten
vorhandenen Linien. In einem weiteren Verfahrensschritt wird die Folie um 90" gedreht,
so daß die Linien Ost-West ausgerichtet sind und mit einer zweiten Abtastung der
Start-Ziel-Verbindung erhält man durch zusätzliche Eingabe des jejeweiligen Li ni
enverl aufs bei der Abtastung die vollständige Information über den Start-Ziel-Vektor.
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Die Ausführungsform der Folie in Fig. 3e zeichnet sich durch eine
besonders einfache Handhabung aus. Die Klarsichtfolie 23 zeigt senkrechte parallele
Linien 24. An der Klarsichtfolie ist an der unteren Kante 26 ein weiterer Informationsträger
so befestigt, daß ein Faltblatt entsteht, d.h., der weitere Informationsträger ist
mit der Klarsichtfolie deckungsgleich und wird mit der Kante 26 an eine Karte der
Landkarte angelegt. Dadurch entsteht eine exakte Ausrichtung der Linien 24 in Nord-Süd-Richtung,
bzw. wenn das Faltblatt an einer Seitenkante der Landkarte angelegt wird, in Ost-West-Richtung.
Der weitere Informationsträger, also der Teil des Faltblattes, welcher unter die
Landkarte gelegt wird, besteht aus einer undurchsichtigen Magnetfolie, die die Linien
25 enthält. Mit dem Lichtgriffel wird in bekannter Weise die Start-Ziel-Verbindung
abgefahren, wobei dieser zusätzlich zu dem optimistischen Sensor noch einen magnetischen
Sensor enthalten muß und damit sowohl die senkrechten als auch die waagrechten Linien
erfaßt. In einer letzten Ausführungsform besteht die Klarsichtfolie 27 -wie in Fig.
3f dargestellt - aus einer -Kreisscheibe, die so auf die Karte gelegt wird, daß
die Spitze in dem Startpunkt liegt und das Ziel unter der Längsskala A.
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Damit kann die Positionsdifferenz zwischen Start und
Ziel
in Form von Polarkoordinaten eingegeben werden. Mit dem Lichtgriffel wird zunächst
die Längsskal a vom Start zum Ziel abgefahren. Danach wird der Winkel a zwischen
der Längsskal a und einer durch den Startpunkt und parallel zur Nord-Süd-Richtung
laufenden Linie 28 abgelesen oder ebenfalls mittels des Lichtgriffels abgefahren.
Man ermittelt damit die Polar-Koordinaten des Zielpunktes bezogen auf den Startpunkt.
Die Auswertung, der Koordinatenvergl ei ch und die Richtungsanzeige erfolgen bei
allen Lösungen wie in der Beschreibung der Fig. 3a dargestellt.
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In den Beispielen 3a-e können die Rasterfolien als Taschen mit zwei
offenen Seiten ausgeführt werden, die so über die Karte geschoben werden, daß die
geschlossenen Ränder an zwei Seiten des Kartenblattes anschlagen.
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Damit ist die Lage der Folie eindeutig dem Kartenblatt zugeordnet.
Auf den Rändern der Kartenblätter könnten dann in jeweils anderer Höhe Markierungen
angebracht sein, denen wieder auf der Rasterfolie Strichkodierungen zugeordnet sind.
Fährt man mit dem Griffel über die Markierung des Kartenblattes, dann wird dabei
der zugeordnete Strichcode eingelesen, mit dem im Navigations-Rechner das Kartenblatt
identifiziert werden kann.
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Wenn nun eine Kartenposition so eingegeben wird, daß der Griffel immer
von einem markanten Punkt (beispielsweise untere linke Ecke) zur Eingabeposition
bewegt wird, kann auf diese Weise - zusammen mit der Eingabe des Strichcodes am
Kartenrand - auch die absolute Position des Punktes im Kartensystem eingegeben werden.
Dann spielt es keine Rolle mehr, ob der Ziel Punkt in einem anderen Kartenblatt
liegt als der Ausgangspunkt.
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Durch direktes Abfahren der Fahrstrecke mit dem Griffel ist es auch
möglich, die Karte zu digitalisieren, d.h.
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nicht nur den Zielvektor sondern die tatsächliche Fahrtroute abzuspeichern.
Damit erhält man während der Fahrt eine Richtungsanzeige, die dem tatsächlichen
Straßenverlauf folgt und nicht die Luftlinie zwischen Start- und Ziel Punkt wiedergibt.
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Erst wenn aus irgendwelchen Gründen die programmierte Soll strecke
verlassen wird, müßte wieder der nächste markante Ziel Punkt angewiesen werden.
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Neben den Navigationsanweisungen lassen sich ohne den Einsatz eines
weiteren Sensors noch zahlreiche andere Werte gewinnen und darstellen. Sie sind
in der folgenden Liste zusammengestellt, unabhängig davon, ob sie sehr sinnvoll
sind oder nicht.
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Uhrzeit Fahrzeit Noch benötigte Fahrzeit (geschätzt aus dem Verhältnis
der Luftlinienentfernung zu Start und Ziel und aus der bereits aufgelaufenen Fahrzeit)
Akustisches Signal beim Erreichen einer Zielmarke Betrag des zurückgelegten Weges
Noch zurückzulegender Weg (geschätzt aus dem Verhältnis der Luftlinienentfernung
zu Start und Ziel und aus dem bereits zurückgelegten Weg) Reichweite (geschätzt
aus Tankfüllung, zurückgelegtem Weg, Fahrgeschwindigkeiten während der Reise, Beschl
euni gungsvorgänge) Akustisches Signal vor Erreichen eines Zwischenziels Momentangeschwi
ndi gkei t
Akustisches Signal beim Überschreiten von Geschwindi
gkei tsmarken Mittlere Reisegeschwindigkeit Momentanbeschleunigung Zu Beginn einer
Fahrt ist es natürlich wichtig, die Richtung der Längsachse des Fahrzeugs zu erfassen
und einen Bezug zur Richtung des Zielvektors herzustellen.
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In den meisten Fällen wird diese Richtung saums der vorherigen Fahrt
noch bekannt sein beispielsweise in abgespeicherter Form. Denkbar wäre auch die
Ausrichtung des Fahrzeugs anhand eines bkannen Straßenverlaufs herzustellen.
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