DE3925378A1

DE3925378A1 - Navigationsverfahren fuer fahrzeuge mit elektronischem kompass

Info

Publication number: DE3925378A1
Application number: DE19893925378
Authority: DE
Inventors: Reinhard Dipl Ing Helldoerfer; Ulrich Dipl Ing Kanzler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1989-08-01
Filing date: 1989-08-01
Publication date: 1991-02-07

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Ermittlung der Fahrt richtung eines Fahrzeuges mit einem elektronischem Kompaß nach der Gattung des Hauptanspruchs. Aus der DE-OS 30 09 548 ist schon ein Verfahren zur Ermittlung der Fahrtrichtung eines Fahrzeuges mit ei nem elektronischen Kompaß bekannt, bei dem mit einem Magnetometer, das zwei um 90 Grad gegeneinander verdrehte Spulen aufweist, der Horizontalvektor der magnetischen Feldstärke gemessen und mit einer Auswerteeinrichtung der Winkel in Bezug auf die Nord-Südrichtung be stimmt wird. Da das Fahrzeug ein magnetisches Störfeld bildet, er geben sich bei Drehung des Fahrzeuges unterschiedliche Meßwerte für das Magnetometer. Die Meßwerte liegen auf einer elliptischen Orts kurve.

In diesem Verfahren wird vorgeschlagen, die gemessenen Werte des Magnetfeldes bezüglich der Abweichung von der ermittelten Ortskurve zu überprüfen und jeweils dann eine Korrektur der Ortskurve vorzu nehmen, wenn Abweichungen der Meßwerte von der Ortskurve mehrfach einen bestimmten Betrag überschreiten. Hierbei ist ungünstig, daß eine Korrektur der elliptischen Ortskurve nicht durchführbar ist, wenn das Fahrzeug eine längere Strecke in Nord- oder Südrichtung be wegt wird. Für eine Korrektur müssen mehrmals alle Segmente bzw. Punkte der Ortskurve gemessen werden. Dies ist nur bei Kurven /Kreisfahrten möglich, nicht jedoch bei (langen) Autobahnfahrten. Die gemessenen Punkte liegen um die Ortskurve und tendieren von ihr weg, je größer die Entfernung zum Kalibrierort ist. Die elliptische Ortskurve kann nicht korrigiert werden, so daß nicht-lineare Win kelfehler entstehen. Diese Winkelfehler bewirken, daß die Mitkopp lung des Navigationssystems zu falschen Positionsangaben führt.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß durch die Ermittlung der Bewegung in Nord- oder Südrichtung die Meßwerte der elliptischen Ortskurve dem Horizontalvektor des Erdfeldes angepaßt werden können. Dadurch kann der Richtungswinkel des Fahrzeuges unabhängig vom Kalibrierort genau bestimmt werden. Insbesondere ergibt sich bei längeren Fahrten in der Nord- bzw. Südrichtung eine Verbesserung der Positionsbestimmung.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor teilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Merkmale möglich. Besonders günstig ist, die elliptische Ortskurve um einen bestimmten Faktor nachzuführen, wobei die Ellipse in Nordrichtung auf 500 km um etwa 10% verringert und bei Fahrten in Südrichtung um etwa 10% vergrößert wird. Dieser Wert ist beson ders günstig, da sich der Horizontalvektor des Erdfeldes beispiels weise in Europa um etwa den gleichen Faktor ändert.

Besonders vorteilhaft ist auch, daß die Korrektur der elliptischen Ortskurve bei bestimmten Entfernungsschritten vom Kalibrierort vor genommen wird, da dadurch der verbleibende Meßfehler klein ist. Es hat sich daher als günstig erwiesen, nach jeweils ca. 50 Kilometer die elliptische Ortskurve anzupassen.

Ein weiterer Vorteil ist auch darin zu sehen, daß die korrigierten Werte der elliptischen Ortskurve ortsbezogen in Tabellen gespeichert sind. Dadurch ergeben sich kurze Zugriffszeiten für den Rechner, so daß die Richtungsbestimmung vereinfacht wird.

Die oben genannten Manipulationen sind gültig für die nördliche Halbkugel (Hemisphäre). Für den Einsatz südlich des Äquators dreht sich der Änderungssinn um.

Weitere Vorteile und Verbesserungen der Erfindung sind der Beschrei bung entnehmbar.

Zeichnung

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung darge stellt und in der Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein Blockschaltbild, Fig. 2a ein Diagramm einer Fahrtstrecke, Fig. 2b ein Vektordiagramm mit einer elliptischen Ortskurve, Fig. 3 ein Flußdiagramm des ersten Ausführungsbeispiels und Fig. 4 ein Flußdiagramm des zweiten Ausführungsbeispiels.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 ist ein Blockschaltbild eines elektronischen Kompasses dargestellt. Es weist einen Mikrocomputer 11 auf, der mit einem Weg geber 13, einer Magnetfeldsonde 14, einem Datenspeicher 12 sowie der Eingabeeinheit 10 und der Ausgabeeinheit 9 verbunden ist. Als Wegge ber 13 sind beispielsweise Radsensoren verwendbar, wie sie auch für die Anzeige der Entfernung auf dem Tachometer verwendet werden.

Die Magnetfeldsonde 14 weist ein Zwei-Achsen- oder Drei-Achsenmag netometer auf, wobei die Achsen der Meßspulen um 90° gegeneinander verdreht sind. Derartig aufgebaute Magnetometer sind schon aus der DE-OS 33 45 712 bekannt.

Der Mikrocomputer 11 weist auch eine Auswerteschaltung auf, die die Signale des Weggebers 13 wie auch der Magnetfeldsonde 14 verarbei tet. zur Speicherung von Daten ist der Datenspeicher 12 vorgesehen, der sowohl als Arbeitsspeicher als auch als Zwischenspeicher ver wendbar ist. Die Ausgabeeinheit 9 weist Anzeigen auf, mit denen die Fahrtrichtung des Fahrzeuges bezüglich der Nordrichtung ausgegeben wird. Neben der Richtungsausgabe können auch Entfernungsangaben an gezeigt werden. Die Eingabeeinheit 10 weist Tasten und Schalter auf, mit denen die Funktionen des elektronischen Kompasses einstellbar sind bzw. Standort- und Zieleingaben durchführbar sind. Eine Ein gabe- und Ausgabeeinheit ist beispielsweise aus der DE-OS 36 44 683 bekannt.

Im folgenden wird die Funktionsweise beschrieben. Es wird davon aus gegangen, daß die Daten der elliptischen Ortskurve 23 für einen Kalibrierort 20 in geeigneter Form in dem Datenspeicher 12 gespei chert sind. Um die Nord-Südkorrektur durchführen zu können, werden zwei Parameter der elliptischen Ortskurve 23, nämlich die Halbach sen a und b erfindungsgemäß verändert.

In Fig. 2a ist die Erdfeldstärke im Koordinatensystem Hy, Hx gemes sen und als elliptische Ortskurve 23 dargestellt. Sie wurde am Kali brierort 20 (Fig. 2b) gemessen und abgespeichert. Bewegt sich das Fahrzeug z. B. wie in Fig. 2b dargestellt, von Punkt 20 nach Punkt 21 (in S-N-Richtung), ergibt sich die Ortskurve 24 am Ziel punk 21. Das bedeutet, daß aus den Halbachsen a und b bei erneuter Kalibrierung am Punkt 21 die Halbachsen a_N und b_N errechnet wer den. Sie entspricht jetzt der gestrichelt dargestellten Ellipse 24. Wäre das Fahrzeug in Südrichtung gefahren, dann wäre die elliptische Ortskurve 23 aufgeweitet worden.

Betrachtet man auf der Ellipse 23 beispielsweise den Punkt 22, dann hat sich dieser bei einer Fahrt in Nordrichtung zum Punkt 22a ver schoben. Das bedeutet, daß die in dem Punkt 21 gemessene Werte der Magnetfeldsonde 14 nun nicht mehr mit den Daten des Punktes 22 son dern mit den Daten des Punktes 22a zu vergleichen sind. Die Änderung der Ellipse 23 erfolgt durch Bestimmung der neuen Halbachsen a_N, b_N, durch die die Größe der Ellipse eindeutig definiert ist.

Um die Nord-Südkorrektur durchführen zu können, muß zunächst der Nordrichtungsvektor 30 bestimmt werden. Da der Weggeber 13 nur die zurückgelegte Strecke in Fahrtrichtung angibt, muß aus dieser strecke der Nordrichtungsvektor 30 gebildet werden. Erfolgt die Fahrtrichtung unter dem Winkel α, dann ergibt sich der Nordrich tungsvektor 30, wenn der Wegstreckenvektor 31 mit cos α multi pliziert wird.

Die Anpassung der Ellipse kann kontinuierlich erfolgen oder jeweils nach einer bestimmten zurückgelegten Strecke in Nord-Südrichtung. In einem ersten Ausführungsbeispiel werden gemäß der Fig. 3 die Halb achsen a_N, b_N der Ellipse 24 nach Zurücklegen einer bestimmten Strecke in Nord-/Südrichtung berechnet. In dem Flußdiagramm der Fig. 3 wird zunächst nach dem Start (Position 27) und dem Initiali sieren des Nordrichtungsvektors (Position 28) die zurückgelegte Strecke mit dem Weggeber 13 gemessen und der Nordrichtungsvektor 30 nach der Rechenformel (in differentieller Schreibweise)

bestimmt (Position 32). In Position 33 erfolgt die Abfrage, ob der Nordrichtungsvektor 30 betragsmäßig größer ist als ein vorgegebe ner Korrekturabstand R. Diese Abfrage wird so oft zyklisch abgefragt, bis der vorgegebene Korrekturabstand R gleich ist oder überschritten wurde. Dieses wird durch die Schleife 38 im Flußdiagramm gekenn zeichnet, die auf Position 32 zurückgeführt ist. Ist dagegen der Nordrichtungsvektor 30 betragsmäßig größer als der Korrekturab stand R, dann werden die Halbachsen a_N, b_N mittels eines Korrek turfaktors k neu berechnet (Position 35, 36). Dabei wird in Posi tion 34 noch unterschieden, ob das Vorzeichen des Nordrichtungsvek tors positiv oder negativ ist. In Nordrichtung wird ein positives Vorzeichen angenommen, so daß die Halbachsen a_N, b_N mit dem Fak tor (1-k) multipliziert werden. In Südrichtung ist das Vorzeichen negativ, so daß die Halbachsen a, b durch den Faktor (1-k) dividiert werden.

Der Korrekturfaktor wird aufgrund der Änderung des Inklinationswin kels des Erdfeldes näherungsweise nach folgender Formel berechnet:

In der Formel wurde R als Korrekturabstand angegeben. Es hat sich als günstig erwiesen, wenn der Korrekturabstand R jeweils nach ca. 50 km durchgeführt wird. Selbstverständlich lassen sich auch andere Entfernungen für den Korrekturabstand R einsetzen. In diesem Bei spiel ergibt sich rechnerisch k = 0,01. Für Fahrten in Nordrichtung ergibt sich damit für die Halbachsen der Ellipse:

a_N = a × (1 - 0,01)

b_N = b × (1 - 0,01)

Die neuen Halbachsen a_N und b_N für die Nordfahrt gelten für die gestrichelt dargestellte Ellipse 24. Bei Fahrtrichtung in Südrich tung ergeben sich entsprechend folgende neue Halbachsen a_S und b_S:

Bei Fahrten in Südrichtung werden also die Halbachsen a_S und b_S vergrößert. Diese Ellipse ist nicht in Fig. 2 dargestellt.

Nach der Korrektur der elliptischen Ortskurve 24 wird der Nordrich tungsvektor um den Korrekturabstand R verringert (Pos. 37), so daß bei Weiterfahrt ein neuer Nordrichtungsvektor gebildet wird (Posi tion 39). In einem zweiten Ausführungsbeispiel wird gemäß der Fi gur 4 vorgeschlagen, die horizontale Feldstärke H_E des Erdfeldes für jeden geographischen Punkt in entsprechenden Tabellen abzuspei chern. Gemäß dem Flußdiagramm wird zunächst nach dem Start (Posi tion 40) die momentane Position des Fahrzeuges mittels des Naviga tionssystems bestimmt (Pos. 41). In Position 42 werden dann die zu dieser Position gehörenden Werte der elliptischen Ortskurve 24 auf gesucht und mit den gemessenen Werten verglichen. Da in der Praxis diese Punkte in der Regel nicht deckungsgleich sind, werden die am nächsten liegenden Punkte der Tabelle entnommen und mittels Interpo lation von Nachbarpunkten auf minimalen Abstand optimiert. Derartige Optimierungsverfahren sind in der Mathematik bekannt und müssen da her nicht näher beschrieben werden. Aus den gefundenen Werten bzw. deren Lage auf der elliptischen Ortskurve 24 ist die Fahrtrichtung des Fahrzeuges ablesbar.

In Fig. 5 ist eine Tabelle dargestellt, nach der die Daten gemäß des in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiels speicherbar sind. Die Tabelle weist 5 Spalten auf, in denen zu jedem beliebigen Stütz punkt (1. Spalte) die geographische Breite ϕ (Spalte 2), die geogra phische Länge λ (Spalte 3), die horizontale Feldstärke H_E (Spal te 4) und/oder zusätzliche Daten wie die örtliche Deklina tion δ (Spalte 5) gespeichert sind. Diese Tabelle kann für jeden be liebigen Punkt angelegt werden. Befindet sich das Fahrzeug auf einem Stützpunkt oder in der Nähe dieses Stützpunktes, dann können die zu gehörigen Werte gegebenenfalls durch Interpolation ermittelt werden.

In weiter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, diese Nord-Südkorrekturmaßnahmen zu kombinieren, insbesondere mit einem Korrekturverfahren zur Ost-Westkorrektur.

Claims

1. Verfahren zur Ermittlung der Fahrtrichtung eines Fahrzeuges mit einem Navigationssystem, das eine am Fahrzeug fest angeordnete Mag netfeldsonde sowie eine Auswerteschaltung aufweist, die die von der Magnetfeldsonde abgegebenen elektrischen Signale des gemessenen wirksamen Magnetfeldvektors zyklisch erfaßt und mit Parameterwerten einer elliptischen Ortskurve vergleicht, deren Daten in Bezug auf einen Kalibrierort vorgegeben sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein Nordrichtungsvektor (30) bezüglich der Nord-/Südrichtung zwischen einem Kalibrierort (20) und einer momentanen Fahrzeugposition (21) ermittelt wird und daß die Parameterwerte (22) der elliptischen Ortskurve (23) in Abhängigkeit vom Nordrichtungsvektor (30) geändert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zu den Parameterwerten (22) der elliptischen Ortskurve (23) gehörenden Halbachsen (a, b) in Bezug auf den Kalibrierort (20) in Nordrich tung vorzugsweise um etwa 10% pro 500 km verkleinert werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zu den Parameterwerten (22) der elliptischen Ortskurve (23) gehörenden Halbachsen (a, b) in Bezug auf den Kalibrierort in Südrichtung um etwa 10% pro 500 Kilometer vergrößert werden.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß die Korrektur der elliptischen Ortskurve (23) je weils nach einer bestimmten Fahrtstrecke vorzugsweise nach jeweils ca. 50 Kilometer Fahrt in Nord- bzw. Südrichtung erfolgt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß die Korrekturwerte zur Anpassung der elliptischen Ortskurve (23) einer Tabelle entnehmbar sind, in der für beliebige Stützpunkte die auf die geographische Breite und Länge bezogene ho rizontale Feldstärke sowie deren örtliche Deklination gespeichert ist.

6. Vorrichtung zur Ermittlung der Fahrtrichtung eines Fahrzeuges mit einem Navigationssystem, das eine am Fahrzeug fest angeordnete Mag netfeldsonde sowie eine Auswerteschaltung aufweist, die die von der Magnetfeldsonde abgegebenen elektrischen Signale des gemessenen wirksamen Magnetfeldvektors zyklisch erfaßt und mit Parameterwerten einer elliptischen Ortskurve vergleicht, deren Daten in Bezug auf einen Kalibrierort vorgegeben sind, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, die einen Nordrichtungsvektor (30) bezüglich der Nord-/Südrichtung zwischen einem Kalibrierort (20) und einer momentanen Fahrzeugposition (21) ermitteln und daß die Parameterwerte (22) der elliptischen Ortskurve (23) in Abhängigkeit vom Nordrichtungsvektor (30) änderbar sind.