DE3805283C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Integration von
aufeinanderfolgenden Sensorsignalen, welchen ausgehend von
einem Bezugspegel zeitlich veränderliche Driftsignale
überlagert sind. Ferner betrifft die Erfindung eine
Einrichtung zur Integration von aufeinanderfolgenden
Sensorsignalen, welchen ausgehend von einem Bezugspegel
zeitlich veränderliche Driftsignale überlagert sind, mit
einer Sensoreinrichtung und einer hieran angeschlossenen
Integrationsstufe, zur Durchführung dieses Verfahrens.
Verfahren und Einrichtungen dieser Art finden insbesondere
bei Navigationssystemen für Fahrzeuge Anwendung.
Aus JP 60-48 600 ist ein Navigationssystem bekannt, das
einen Winkelgeschwindigkeitssensor verwendet. Es wird für
ein Kraftfahrzeug eingesetzt. Bei diesem System werden
Ortspunkte der Fahrzeugbewegung durch einen
Winkelgeschwindigkeitssensor und einen Entfernungssensor
erfaßt und die erfaßten Ortspunkte des Fahrzeuges werden
auf eine Straße einer angezeigten Karte projiziert, so
daß der Reiseweg des Fahrzeuges längs vorgegebener Straßen
der Karte angegeben wird. Da dieses System unabhängig
arbeiten kann, ohne daß andere zusätzliche Einrichtungen
(beispielsweise Funksignale) erforderlich sind, ist dieses
System in Stadtgebieten oder anderen Gebieten einsetzbar,
die Funkstörungen ausgesetzt sind, in welchen
Funknavigationssysteme nicht zuverlässig arbeiten können.
Fig. 1 stellt ein Blockschaltbild des Navigationssystems
unter Verwendung eines Winkelgeschwindigkeitssensors dar,
wobei das System einen Entfernungssensor (1) zum Erfassen
der vom Fahrzeug zurückgelegten Entfernung umfaßt und
ein entsprechendes Entfernungssignal abgibt, sowie einen
Winkelgeschwindigkeitssensor (2) (Geschwindigkeit) zur
Erfassung der Winkelgeschwindigkeit bei der Reise des
Fahrzeuges und der Ausgabe eines entsprechenden
Winkelgeschwindigkeitssignals, und eine Steuerung (3)
(beispielsweise eine Zentraleinheit) zur Berechnung der
Ortspunkte des Fahrzeuges auf der Basis der
Entfernungssignale und der Winkelgeschwindigkeitssignale,
eine Speichereinheit (4) zur Speicherung verschiedener
Kartendaten, einschließlich Abzweigungspunkten, eine
Anzeigeeinheit (5), wie beispielsweise eine Kathodenstrahlröhre,
zur Anzeige einer Straßenkarte und einer Bahn der Ortspunkte
der Fahrzeugbewegung, und eine Tastatur (6) zur Eingabe
von Daten, wie beispielsweise eines Startpunktes auf einer
Straßenkarte.
Die erwähnte Steuerung (3) berechnet den Fahrtwinkel des
Fahrzeuges auf der Basis der Winkelgeschwindigkeitssensorsignale
wie folgt:
Es sei angenommen, daß ein Kraftfahrzeug während einer
Zeitspanne (t1) nach rechts fährt, geradlinig weiterfährt
und dann während einer Zeitspanne (t2) gemäß Fig. 3(A)
nach links fährt. In diesem Falle erzeugt der
Winkelgeschwindigkeitssensor (2) zwei
Winkelgeschwindigkeitssensorsignale (f1(T), f2(T)). Die
Steuerung (3) berechnet einen Rechtswendungswinkel (AR) und
einen Linkswendungswinkel (AL), in dem die Flächen (S1, S2)
im Einklang mit nachfolgenden Gleichungen erhalten werden:
Fig. 3(A) stellt ein Ausführungsbeispiel eines
Winkelgeschwindigkeitssensorsignals in Idealform dar, ohne
dem nachteiligen Einfluß einer Auswanderung im
Ausgangsspannungspegel des Winkelgeschwindigkeitssensors
(2) ausgesetzt zu sein. In der Praxis ändert sich jedoch,
da eine Auswanderung unvermeidlicherweise infolge von
Störungen dem Ausgang des Winkelgeschwindigkeitssensors (2)
überlagert ist, das Winkelgeschwindigkeitssensorsignal nach
Fig. 3(A) in jenes nach Fig. 3(B). In Fig. 3(B) ist die
Auswanderung V0(T) der Einfachheit wegen durch eine Gerade
näherungsweise angegeben.
Wird ein Winkelgeschwindigkeitssensorsignal, dem eine
Auswanderung überlagert ist, integriert, um einen Winkel
zu erhalten, so verursacht der in Fig. 3(B) gestrichelt
angegebene Bereich einen Fehler.
Im einzelnen ändert sich die in Fig. 3(A) gezeigte Fläche
(S1) in eine Fläche (S1′), die durch Kurven (a, P1, b, c, d, A)
umschlossen wird, so daß die durch (a, b, c, d, A)
umschlossene Fläche zur Fläche (S1) als Fehler hinzugefügt wird.
Andererseits ändert sich die in Fig. 3(A) gezeigte Fläche
(S2) in eine Fläche (S2′), die durch Kurven (d, e, P2)
umschlossen wird, so daß eine Fläche, die von (c, f, e, d)
umschlossen wird, von der Fläche (S2) als Fehler subtrahiert
wird.
Daher wird eine tatsächliche Reisestrecke des Fahrzeuges,
die in Fig. 2 mit (B) bezeichnet ist, gegenüber der
Reisestrecke (B) in eine irrtümliche Reisestrecke (A) jenseits
eines zulässigen Bereiches (C), den in Fig. 2 durch zwei
gestrichelte Kurven angegeben wird, in einer kurzen Zeitspanne
(D) verschoben. Sobald der berechnete Ortspunkt des Fahrzeuges
von dem zulässigen Bereich abweicht, so muß der Fahrer
den gegenwärtigen, irrtümlich angezeigten Ortspunkt auf
eine an der Karte angegebene Straße zurückstellen oder
korrigieren, um den normalen Anzeigebetrieb des
Navigationsbetriebes fortzusetzen.
Anders ausgedrückt, beim bekannten Navigationssystem liegt
die Schwierigkeit vor, daß, wenn der Ausgangspegel des
Winkelgeschwindigkeitssensors auswandert oder fluktuiert,
der Fahrer häufig die irrtümlichen Anzeigen durch
Betätigung beispielsweise einer bestimmten Taste
zurückstellt.
Diese Nachteile können durch den Einsatz eines
Winkelgeschwindigkeitssystems höherer Präzision zwar etwas
verringert werden, was jedoch andererseits zu einer
Erhöhung der Gestehungskosten führt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
und eine Einrichtung der eingangs genannten Art zu
schaffen, bei dem der durch allmähliche Drift
entstehende Fehler im Sensorsignal verringert wird.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des
Verfahrensanspruchs 1 bzw. durch die Merkmale des
Vorrichtungsanspruchs 4 gelöst.
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den diesen
Patentansprüchen jeweils nachgeordneten Patentansprüchen.
Einzelheiten und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens
und der erfindungsgemäßen Einrichtung sind in der
nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten
Ausführungsbeispiels dargelegt, das anhand der beigefügten
Zeichnungen näher erläutert wird. Darin zeigt
Fig. 1 ein Blockschaltbild des allgemeinen Aufbaus eines
Navigationssystems mit einem
Winkelgeschwindigkeitssensor,
Fig. 2 eine Darstellung zur Erläuterung der Reisewege
eines mit dem System gemäß Fig. 1 ausgerüsteten
Fahrzeuges,
Fig. 3(A) eine grafische Darstellung eines
Ausführungsbeispiels eines
Winkelgeschwindigkeitssensorsignals,
das keine Auswanderung aufweist;
Fig. 3(B) eine grafische Darstellung des
gleichen Winkelgeschwindigkeitssensorsignals
mit Auswanderung, die dazu beiträgt,
das Sensorsignalerfassungsverfahren
des Standes der Technik zu erläutern;
Fig. 4(A) und (B) ähnliche grafische Darstellungen
eines Ausführungsbeispiels eines
Sensorsignals mit Auswanderung,
die dazu beitragen, das
erfindungsgemäße
Sensorsignal-Integrationsverfahren
zu erläutern; und
Fig. 5 ein Blockschaltbild, welches das
Sensorsignal-Integrationsverfahren
verkörpert, das unter Bezugnahme
auf die Fig. 4(A) und 4(B)
beschrieben wird.
Es wird nunmehr auf die bevorzugten Ausführungsformen näher
eingegangen.
Das Verfahren zur Integration eines Sensorsignals, das von
einem erfindungsgemäßen Winkelgeschwindigkeitssensor
erzeugt wird, wird anschließend unter Bezugnahme auf die
anliegenden Zeichnungen erläutert.
In Fig. 4(A) ist (f1(T)) ein Sensorsignal, das von einem
Winkelgeschwindigkeitssensor erzeugt wird, wenn sich das
Fahrzeug beispielsweise nach rechts wendet, und (f2(T))
ist ein Sensorsignal, das von einem Winkelgeschwindigkeitssensor
erzeugt wird, wenn sich das Fahrzeug nach links wendet. In
Fig. 4(A) ist ein durch eine Störung erzeugter
Auswanderungspegel durch (V0(T) = alphaT) angenähert und
wird auf die beiden Winkelgeschwindigkeitssensorsignale
überlagert. Ferner werden zwei Spannungspegel +Vc und -Vc
vorgegeben, um zu überprüfen, ob der Pegel des
Winkelgeschwindigkeitssensorsignals mit Auswanderung diese
beiden Spannungspegel |Vc| überschreitet.
Eine Zeitspanne (t1), während welcher das
Winkelgeschwindigkeitssensorsignal (f1(T)) einen Pegel +Vc
hat und eine Zeitspanne (t2), während welcher das
Winkelgeschwindigkeitssensorsignal (f2(T)) unter einen
Pegel -Vc fällt, werden beide erfaßt, indem die
Schnittstellen des Winkelgeschwindigkeitssensorsignals (f1(T)) oder
f2(T)) mit den vorgegebenen Pegeln |Vc| erhalten werden.
Ferner wird eine vorgegebene festliegende Zeitspanne (2tc)
zu der vorausgehend aufgeführten Zeitspanne (t1, t2) an
beiden Seiten des Sensorsignals hinzugefügt, um jeweils
zwei Integrationszeitspannen (t1+2tc) oder (t2+2tc) zu
ergeben. Somit wird das Winkelgeschwindigkeitssensorsignal
für eine Rechtswendung (f1(T)) während einer Zeitspanne
(t1+2tc) integriert, um eine Fläche (S1′′) zu erhalten, die
in Fig. 4(B) schraffiert angegeben ist; dagegen wird das
Winkelgeschwindigkeitssensorsignal (f2(T)) für eine
Linkswendung während einer Zeitspanne (t2+2tc) integriert,
um eine Fläche (S2′′) zu erhalten, die in Fig. 4(B)
schraffiert dargestellt ist.
Aus Fig. 4(B) ist klar ersichtlich, daß eine fehlerhafte
Fläche, die von (b, B, C und D) umschlossen ist, und in
Fig. 4(B) kreuzschraffiert dargestellt ist, gegenüber der
in Fig. 3(B) angegebenen Fläche (S1′) des Standes der
Technik verringert werden kann. Der Grund hierfür liegt
darin, daß eine zwischen den beiden Signalen für eine
Rechtswendung und Linkswendung bestehende Auswanderung
(Drift), die durch einen Prüfpegel |Vc| erfaßt wird, nicht
integriert wird, wodurch die Genauigkeit eines
Integrationswertes des Winkelgeschwindigkeitssensorsignals
verbessert wird.
Bei dieser Ausführungsform wird eine fehlerhafte Fläche,
die von (B, f, e und C) umschlossen wird, gemäß Fig. 4,
nicht zu einer Fläche (S2′′) addiert. Ist jedoch die
Polarität des Winkelgeschwindigkeitsensorsignals, nachdem
dieses |Vc| überschritten hat und vor dem Zeitpunkt (tc)
verschieden, so ist es möglich, diese Fläche (S2′′′) (die
in Fig. 4(B) schwarz eingetragen ist), zu verschieben und
sie anschließend der Fläche (S2′′) zur Verringerung eines
Fehlers hinzuzufügen.
Da ferner der Ausgangspegel des Sensorsignals in beiden
Richtungen auswandert, was durch (V0(T) = ± alphaT) ausgedrückt
wird, ist eine perfekte Eliminierung der fehlerhaften
Fläche nicht notwendigerweise erforderlich.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren kann, da der Fehler des
erfaßten Winkels des Reiseweges des Fahrzeuges relativ
verringert werden kann, der Reiseweg des Fahrzeuges innerhalb
eines zulässigen Bereiches (C) verlaufen, was in Fig. 2 durch
(E) dargestellt wird. Daher kann das Navigationssystem, das
das erfindungsgemäße Verfahren verwendet, die Ortspunkte
des Reiseweges des Fahrzeuges innerhalb eines zulässigen
Bereiches während vieler Stunden ohne einen mühsamen
Korrekturvorgang der Anzeigeposition angeben.
Fig. 5 ist ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der
Vorrichtung, welche das erfindungsgemäße Verfahren verwenden
kann. Die Vorrichtung umfaßt einen
Winkelgeschwindigkeitssensor (2) gemäß Fig. 1, einen
A/D-Umsetzer (10) zum Abfragen eines
Winkelgeschwindigkeitssensors mit einer geeigneten
Abfragefrequenz, Quantisieren des abgefragten Signals in
digitale Signale mit quantisierten Signalpegeln; ein
Schieberegister (11) zur zeitweiligen Speicherung
aufeinanderfolgender, digitalisierter
Winkelgeschwindigkeitssignale und Ausgabe der gespeicherten
Signale nach einer Zeitspanne (tc) (das als
Verzögerungsschaltung dient); eine Pegeleinstellvorrichtung
(12) zur Voreinstellung eines Spannungspegels |Vc|; einen
Komparator (13) (beispielsweise einen Fensterkomparator
zum Vergleich des analogen Winkelgeschwindigkeitssensorsignals
mit dem voreingestellten Spannungspegel |Vc| und Ausgabe
eines Signals mit hohem Spannungspegel, wenn das
Winkelgeschwindigkeitssignal |Vc| überschreitet, und eines
Signals mit niedrigem Spannungspegel, wenn das Signal unter
|Vc| fällt; ein R-S Flip-Flop (14) mit einer Setzeingangsklemme
(S), die mit dem Komparator (13) verbunden ist, und einer
Rücksetzeingangsklemme (R), die mit dem Komparator (13)
über eine Verzögerungsschaltung (16) und eine Umkehrstufe
(15) verbunden ist; und einen Integrator (17) zur Integration
der digitalen Winkelgeschwindigkeitssensorsignale, die
durch das Schieberegister (11) aufeinanderfolgend, abhängig
von einem H-Pegelsignal aus der Q-Ausgangsklemme des
Flip-Flops (14) um (tc) verzögert sind. Obiger
Integrationsvorgang wird, abhängig von einem L-Pegelsignal,
von der Q-Ausgangsklemme des Flip-Flops angehalten.
Der Betrieb der in Fig. 5 gezeigten Schaltung wird
anschließend beschrieben.
Das vom Winkelgeschwindigkeitssensor (2) erfaßte
Winkelgeschwindigkeitssensorsignal wird durch den A/D-Umsetzer
(10) digitalisiert und durch das Schieberegister (11)
verschoben, um die digitalen Signale um eine Verzögerungszeit
(tc) zu verzögern.
Überschreitet der Pegel des Winkelgeschwindigkeitssensorsignals
|Vc|, so ändert sich das Ausgangssignal des Komparators (13)
von (L) auf (H), um das R-S Flip-Flop (14) zu setzen, so
daß sich das Q-Ausgangssignal von (L) auf (H) ändert.
Abhängig von diesem H-Pegel-Signal beginnt der Integrator
(17) mit der Integrierung der vom Schieberegister (11)
ausgegebenen digitalen Sensorsignale. Da die digitalen Signale
durch das Schieberegister (11) um (tc) verzögert sind,
integriert der Integrator (17) die Winkelgeschwindigkeits
sensorsignale, beginnend von einem Zeitpunkt, der um (tc)
vor dem Zeitpunkt liegt, an dem der
Winkelgeschwindigkeitssignalsensorpegel |Vc| überschreitet.
Andererseits ändert sich, wenn der
Winkelgeschwindigkeitssensorsignalpegel unter |Vc| fällt,
da das Ausgangssignal des Komparators (13) vom H-Pegel zum
L-Pegel umschaltet, das Ausgangssignal der Umkehrstufe
(15) vom L-Pegel auf H-Pegel. Abhängig von diesem
H-Pegel-Signal ändert sich das Ausgangssignal der
Verzögerungsschaltung (16) nach (2tc) vom L-Pegel auf
H-Pegel. Abhängig von diesem verzögerten Signal ändert sich,
da das R-S Flip-Flop (14) rückgesetzt ist, dessen
Q-Ausgangssignal von H-Pegel auf L-Pegel, so daß der
Integrator (17) die Integration anhält. Wie vorausgehend
beschrieben wurde, wird das
Winkelgeschwindigkeitssensorsignal integriert, ausgehend
von einem ersten Zeitpunkt, der um (tc) früher liegt bevor
das Signal |Vc| überschreitet bis zu einem zweiten Zeitpunkt,
der um (tc) später liegt als das Signal unter |Vc| fällt.
Wie vorausgehend beschrieben wurde, werden bei dem
erfindungsgemäßen Sensorsignal-Integrationsverfahren
Winkelgeschwindigkeitssensorsignale, deren Pegel kleiner ist
als ein vorgegebener Pegel |Vc|, als Auswanderung betrachtet
und werden nicht zwischen zwei benachbarten Sensorsignalen
integriert, so daß es möglich ist, einen Fehler als Folge
der Auswanderung zu verringern. Daher ist es möglich,
beispielsweise bei der Anwendung in einem Navigationssystem,
das einen Winkelgeschwindigkeitssensor mit verhältnismäßig
geringem Preis für ein Kraftfahrzeug verwendet, in zuverlässiger
Weise die Ortspunkte der Fahrzeugreise anzugeben, ohne die
an der Straße der Karte angezeigten Ortspunkte zu
korrigieren oder zurückzustellen.
Claims (10)
1. Verfahren zur Integration von aufeinanderfolgenden
Sensorsignalen, welchen ausgehend von einem
Bezugspegel zeitlich veränderliche Driftsignale
überlagert sind, dadurch
gekennzeichnet, daß
- (a) die Sensorsignale um eine erste vorbestimmte Zeitspanne verzögert werden,
- (b) die verzögerten Sensorsignale zu ihrer Integration einem wechselweise an- und abschaltbaren Integrator zugeführt werden,
- (c) die nicht-verzögerten Sensorsignale mit einem einstellbaren oberen, über dem Bezugspegel liegenden Schwellwert und einem einstellbaren unteren, unter dem Bezugspegel liegenden Schwellwert verglichen werden,
- (d) der Integrator angeschaltet wird, wenn ein nicht-verzögertes Sensorsignal über dem oberen Schwellwert oder unter dem unteren Schwellwert liegt, und
- (e) der Integrator abgeschaltet wird, wenn ein nicht-verzögertes Sensorsignal zwischen dem oberen Schwellwert und dem unteren Schwellwert liegt, wobei die Abschaltung des Integrators nach einer zweiten vorbestimmten Zeitspanne nach Erscheinen dieses Sensorsignals erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die ersten
und zweiten Zeitspannen auf gleiche Länge eingestellt
werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die oberen
und unteren Schwellwerte auf den gleichen Absolutwert
gegenüber dem Bezugspegel eingestellt werden.
4. Einrichtung zur Integration von aufeinanderfolgenden
Sensorsignalen, welchen ausgehend von einem
Bezugspegel zeitlich veränderliche Driftsignale
überlagert sind, mit einer Sensoreinrichtung (2) und
einem hieran angeschlossenen Integrator (17), zur
Durchführung des Verfahrens nach einem der
vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet
durch
- (a) eine erste Verzögerungseinrichtung (11), welche zwischen der Sensoreinrichtung (11) und dem Integrator (17) angeordnet ist und die von der Sensoreinrichtung empfangenen Sensorsignale mit einer Verzögerung einer vorbestimmten ersten Zeitspanne an den Integrator weitergibt,
- (b) eine den Integrator wechselweise an- und abschaltbare Schalteinrichtung (14),
- (c) eine auf einen oberen Schwellwert und auf einen unteren Schwellwert einstellbare Komparatoreinrichtung (13), welche eingangsseitig mit der Sensoreinrichtung (2) und ausgangsseitig mit der Schalteinrichtung (14) verbunden ist und an die Schalteinrichtung (14) ein die Anschaltung des Integrators (17) bewirkendes Signal liefert, wenn das von der Sensoreinrichtung (2) an die Komparatoreinrichtung (13) gelieferte Signal den oberen Schwellwert überschreitet oder den unteren Schwellwert unterschreitet, und
- (d) eine zweite Verzögerungseinrichtung (16), welche zwischen der Komparatoreinrichtung (13) und der Schalteinrichtung (14) angeordnet ist und mit einer Verzögerung einer vorbestimmten zweiten Zeitspanne an die Schalteinrichtung (14) ein die Abschaltung des Integrators (17) bewirkendes Signal liefert, wenn das von der Sensoreinrichtung (2) an die Komparatoreinrichtung (13) gelieferte Signal den oberen Schwellwert unterschreitet oder den unteren Schwellwert überschreitet.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die erste
Verzögerungseinrichtung (11) als Schieberegister
ausgebildet ist.
6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch
gekennzeichnet, daß zwischen der
Sensoreinrichtung (2) und der als Schieberegister
ausgebildeten ersten Verzögerungseinrichtung (11) ein
Analog/Digitalwandler (10) angeordnet ist.
7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die
Komparatoreinrichtung (13) mit einer
Pegeleinstellvorrichtung (12) zur Einstellung der
oberen und unteren Schwellwerte versehen ist.
8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die
Schalteinrichtung (14) ein R-S-Flip-Flop umfaßt, an
dessen Setz-Eingang (S) die Komparatoreinrichtung
angeschlossen ist und an dessen Reset-Eingang die
zweite Verzögerungseinrichtung (16) angeschlossen ist,
während der Ausgang (Q) mit dem Schalteingang des
Integrators (17) verbunden ist.
9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß die zwischen der
Komparatoreinrichtung (13) und der zweiten
Verzögerungseinrichtung (16), ein Inverter (15)
geschaltet ist.
10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, daß die zweite
Verzögerungseinrichtung (16) auf den Wert der
Verzögerungszeit der ersten Verzögerungseinrichtung
(11) eingestellt ist.
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