DE3937160A1 - Elektronischer kompass mit neigungswinkelkorrektur - Google Patents

Description

Stand der Technik

Bekanntlich ist das Erdmagnetfeld in unseren Breiten gegen die Erd­ oberfläche geneigt. Der Neigungswinkel des Erdmagnetfeldes wird - bezogen auf die Horizontalebene - Inklinationswinkel ϕ_I genannt. Die Verbindungsorte gleicher Inklination werden Isoklinen genannt. Die Isoklinen verlaufen in Ost-/Westrichtung.

Es ist weiter bekannt, daß ein elektronischer Kompaß im Fahrzeug fest angeordnet ist und dann die Horizontalkomponente des Erdmagnet- feldes _E erfaßt. Ein solcher Kompaß mißt in einem Fahrzeug das Erdmagnetfeld nur dann richtig, wenn die Straße horizontal verläuft. Verläuft die Straße geneigt, ergeben sich insbesondere bei stärkeren Gefällstrecken erhebliche Fehlmessungen.

Die Fehlmessungen lassen sich korrigieren, wenn die Neigung der Straße bekannt ist. Bekannte Lösungen zur Messung der Neigung sind Neigungsmesser, die nach dem Trägheitsprinzip arbeiten. Jedoch tre­ ten insbesondere beim Beschleunigen des Fahrzeuges Pendelbewegungen auf, die die Neigungswinkelmessung erschweren. Das gleiche Problem ergibt sich, wenn das Fahrzeug Kurven befährt. Durch die auftreten­ den Fliehkräfte führt die pendelbewegung des Neigungsmessers eben­ falls zu falschen Meßwerten.

Vorteile der Erfindung

Der elektronische Kompaß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß unabhängig von der Fahrzeuggeschwindigkeit oder von Kurvenfahrten die Steigung bzw. das Gefälle einer Wegstrecke genau erfaßbar und zur Korrektur des Kom­ paßwertes heranziehbar ist. Ein weiterer Vorteil ist, daß der ver­ wendete Drucksensor von Absolutwerten unabhängig ist, da nur die Druckdifferenz des Luftdruckes ausgewertet wird, die innerhalb einer Steigungsstrecke oder eines Gefälles vorhanden ist. Eine Eichung des Drucksensors entfällt. Witterungsbedingte Einflüsse wie Regen, Wind oder Temperatur spielen dabei keine Rolle.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor­ teilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Merkmale möglich. Eine besonders einfache und vorteil­ hafte Lösung besteht darin, daß nach jeweils einer vorgegebenen Weg­ strecke der relative Luftdruck gemessen wird. Aus zwei zeitlich nachfolgenden Druckmessungen wird die Differenz ermittelt.

Ein weiterer Vorteil ist, daß aus der vorzeichenbewerteten Luft­ druckdiffernz erkennbar ist, ob es sich um eine Steigung oder eine Gefällstrecke handelt. Da bekanntlich der Luftdruck mit zunehmender Höhe abnimmt, bestimmt das Vorzeichen der Druckdifferenz die Nei­ gungsrichtung des Fahrweges.

Auch ist vorteilhaft, daß Korrekturfaktoren in Abhängigkeit von der Steigung bzw. des Gefälles des Fahrweges in einem Speicher tabella­ risch abgespeichert sind. Der Mikroprozessor der Auswerteschaltung kann das richtige Ergebnis sehr schnell dieser Tabelle entnehmen, ohne daß lange Rechenzeiten erforderlich sind.

Besonders vorteilhaft ist, daß die Tabelle in einem Halbleiterspei­ cher abgelegt ist, der zuverlässig arbeitet und preiswert herstell­ bar ist.

Besonders vorteilhaft ist auch, daß diese Korrektur des Neigungswin­ kels mit weiteren Korrekturverfahren verknüpfbar ist, so daß neben der Neigungswinkelkorrektur beispielsweise auch Einflüsse der Dek­ lination berücksichtigt werden.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung darge­ stellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein Blockschaltbild des elektronischen Kompasses, Fig. 2 ein Koordinatensystem, Fig. 3 einen Stromlaufplan und Fig. 4 ein zweites Ausführungsbeispiel mit einem Flußdiagramm.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In Fig. 1 ist das Blockschaltbild eines elektronischen Kompasses 1 dargestellt. Der elektronische Kompaß 1 weist eine Auswerteschal­ tung 2 auf, die mit einem Magnetometer 3, einem Wegstreckensensor 6 und einem Drucksensor 5 verbunden ist. Im Ausführungsbeispiel weist die Auswerteschaltung 2 einen elektrischen Ausgang 4 auf, an dem die korrigierten Kompaßmeßwerte als elektrisches Signal abgreifbar bzw. über eine Anzeige ausgebbar sind.

In Fig. 3 ist der Stromlaufplan der Auswerteschaltung 2 darge­ stellt. Der Drucksensor 5 und der als weiterer Sensor ausgebildete Wegstreckensensor 6 sind mit Eingängen eines Zwischenspeichers 32 verbunden. Als Zwischenspeicher 32 ist beispielsweise ein Schiebere­ gister vorgesehen, das mit dem Signal des Wegstreckensensors 6 ge­ taktet wird. Der Ausgang des Zwischenspeichers 32 ist mit dem Ein­ gang eines Subtrahierers 33 verbunden, der aus zeitlich aufeinander­ folgenden Druckwerten die Differenz bildet. Der Ausgang des Subtra­ hierers 33 ist mit dem Eingang des Signalumformers 34 verbunden, dessen einer Ausgang mit einer Anzeige 39 und dessen zweiter Ausgang mit einem Speicher 35 verbunden ist. Als Speicher 35 ist ein Halb­ leiterspeicher, beispielsweise ein ROM vorgesehen. Der Ausgang des Speichers 35 ist mit dem einen Eingang eines Addierers 37 verbun­ den. Der Ausgang eines Magnetometers 3 führt über eine Signalaufbe­ reitung 36 auf den zweiten Eingang des Addierers 37. Ein weiterer Ausgang der Signalaufbereitung 36 ist mit einem zweiten Eingang des Speichers 35 verbunden. Der Ausgang des Addierers 37 führt auf die Richtungsanzeige 38, die den korrigierten Richtungswert ausgibt.

Eine verwendbare Signalaufbreitung 36 ist beispielsweise aus der US 39 91 361 bekannt und muß daher nicht näher beschrieben werden.

In Fig. 2 ist ein Koordinatensystem mit einer X-, Y- und Z-Achse dargestellt. In Z-Richtung ist ein Fahrweg als schiefe Ebene einge­ zeichnet, die von einem Fahrzeug befahren wird. Desweiteren sind Feldlinien des Erdmagnetfeldes _E eingezeichnet. Die Feldlinien bilden mit der X-Achse den Horizontalwinkel ϕ_I und mit dem Fahrweg den Winkel ϕ_I+ψ.

Im folgenden wird die Funktionsweise beschrieben. Bewegt sich das Fahrzeug gemäß der Fig. 2 entlang einer Steigungsstrecke oder auch einer Gefällstrecke bergauf bzw. bergab, dann wird von dem in das Fahrzeug fest eingebauten Magnetometer 3 die Magnetfeldstärke in Be­ zug auf die Nordrichtung gemessen. Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, bildet die Magnetfeldstärke _E mit der Horizontalen, entsprechend der X-Achse, einen Winkel von ϕ_I. Auf dem Fahrweg dagegen ver­ größert sich der Einfallswinkel des Erdmagnetfeldes um den Stei­ gungswinkel des Fahrweges, so daß der Winkel nun ϕ_I+ψ beträgt. Auf einer Gefällstrecke verringert sich dieser Winkel auf den Wert ϕ_I-ψ. Da das Magnetometer fest im Fahrzeug eingebaut ist, kann es nur den Feldstärkenvektor in Richtung des Fahrweges messen. Ist der Winkel des Fahrweges bekannt, dann läßt sich mit Hilfe der trigonometrischen Funktionen die in Fahrtrichtung vektoriell gemes­ sene Feldstärke in die Horizontalkomponente des Erdmagnetfeldes um­ rechnen.

Die Ermittlung der Horizontalkomponente ist aus dem Stromlaufplan der Fig. 3 bzw. dem Flußdiagramm der Fig. 4 ersichtlich. Zunächst wird gemäß der Fig. 2 nach jedem vorgegebenen Wegabschnitt 10 der Luftdruck mit dem Drucksensor 5 gemessen. Da der Luftdruck mit zu­ nehmender Höhe etwa proportional zur Höhe abnimmt, ergibt sich eine einfache Berechnung der Höhe bzw. der Höhendifferenz auf dem Fahr­ weg.

Der Wegabschnitt 10 des Fahrzeuges wird durch den Wegstreckensen­ sor 6 gemessen, d. h. nach jeweiligem Durchfahren des Wegabschnit­ tes 10 wird der Luftdruck gemessen und in den Zwischenspeicher 32 übertragen.

Jeweils zwei aufeinanderfolgende Druckwerte werden im Zwischenspei­ chers 32 abgelegt und im Subtrahierer 33 subtrahiert.

Ist der nachfolgende Druckwert p_L2 größer als der vorhergehende Druckwert p_L1, dann liegt eine Gefällstrecke vor. Ist die Diffe­ renz dagegen negativ, dann liegt eine Steigungsstrecke vor. Dieser Differnzwert wird vorzeichengetreu auf den Signalumformer 34 gelei­ tet, der das Signal in Bezug auf den Streckenabschnitt 10 normiert. Der Signalumformer 34 ist so aufgebaut, daß er die pro Wegab­ schnitt 10 gemessene Druckdiffernz als Steigungswinkel bzw. Gefäll­ winkel umrechnet und den entsprechenden Wert, beispielsweise normiert in Grad oder prozent auf die Anzeige 39 ausgibt. Die normierten Werte werden in dem Speicher 35 gespeichert.

Da sich bekanntlich das Erdmagnetfeld mit der Fahrtrichtung ändert, muß für jeden Richtungswinkel der entsprechende Korrekturfaktor bei­ spielsweise in einer Tabelle des Speichers 35 abgelegt werden. Es ist vorteilhaft, wenn die Addressierung des Speicher 35 dem gemesse­ nen Richtungswinkel zugeordnet ist. Der Addresseneingang ist mit ei­ nem entsprechenden Ausgang der Signalaufbereitung verbunden. Unter der jeweiligen Addresse wird ein Datenfeld abgespeichert, das die Korrekturwinkel für jeden Neigungswinkel ψ enthält. Die Korrektur­ winkel werden entweder empirisch ermittelt oder aus der gemessenen Erdmagnetfeldstärke errechnet. Bei Eingabe der gemessenen Fahrtrich­ tung und des Neigungswinkels ist dann der entsprechende Korrektur­ winkel aus der Tabelle auslesbar. Dieser Wert wird auf den Addie­ rer 37 gegeben.

Das Magnetometer 3 mißt nun die entlang der Wegstrecke auftretende Erdmagnetfeldstärke und gibt deren Signale an die Signalaufberei­ tung 36 weiter. Die Signalaufbereitung 36 enthält im wesentlichen bekannte Mittel wie Verstärker, Vergleicher und Filter, die das Meß­ signal in geeigneter Form, beispielsweise als Adresse für den Spei­ cher 35 derart umformen, das ein Richtungswinkel einer bestimmten Addresse entspricht, die auf den entsprechenden Eingang des Spei­ chers 35 gegeben wird. Der von der Signalaufbereitung 36 ermittelte Richtungswinkel wird auf den zweiten Eingang des Addierers 37 gege­ ben und zu dem Korrekturwinkel addiert. Die korrigierte Richtungsan­ zeige wird in der Ausgabe 38 angezeigt und ist für eine weitere Aus­ wertung verfügbar.

Für ein zweites Ausführungsbeispiel ist in Fig. 4 das Flußdiagramm dargestellt, mit dem die Korrektur des vom Magnetometer 3 gemessenen Magnetfeldes in Abhängigkeit von der Steigung der Fahrstrecke durch­ geführt wird. Im Ausführungsbeispiel arbeitet die Auswerteschal­ tung 2 mit bekannten Bauteilen wie Mikrocomputer, Speicher und Ein-/Ausgabeeinheiten, so daß eine detaillierte Beschreibung der Baugruppen entfallen kann.

Die Ermittlung des Korrekturwinkels für das Erdmagnetfeld wird an­ hand des Flußdiagramms der Fig. 4 beschrieben. Nach dem Start des Systems (Pos. 21) wird in Position 22 der Wegstreckenzähler X auf Null gesetzt. Der Wegstreckenzähler X repräsentiert ein Stück des gefahrenen Fahrweges. Anschließend wird in Position 23 der Luft­ druck P_L1 gemessen. Danach wird in Position 24 und der Abfrage 25 solange der Streckenzähler X hochgezählt, bis der vorgegebene Wegab­ schnitt S (10) erreicht ist. Am Ende des Wegabschnitts 10 wird der Luftdruck erneut gemessen, der nun den Wert P_L2 haben soll (Pos. 26). In Position 27 wird aus den gemessenen Luftdruckwerten die Differenz P=P_L1-P_L2 ermittelt. In Position 28 wird aus der gemessenen Druckdifferenz zunächst die Höhendiffernz ermittelt und aus der Höhendiffernz und des vorgegebenen Wegabschnittes 10 der Neigungswinkel ψ ermittelt. Die Werte für die Umrechnung des Luft­ drucks in Höhenangaben bzw. für die Ermittlung des Neigungswin­ kels ψ sind vorteilhaft in einem Speicher abgelegt. Ist eine Kon­ trollausgabe des Neigungswinkels ψ gewünscht, dann kann dieser an dem Punkt 31 abgegriffen werden und auf einer entsprechenden Anzeige dargestellt werden. Das hat den Vorteil, daß der Fahrer zusätzlich eine Information über die Neigung der befahrenen Wegstrecke erhält.

Desweiteren wird mit dem Magnetometer 3 die Erdmagnetfeldstärke ge­ messen und der daraus ermittelte Richtungswinkel zusammen mit dem Neigungswinkel ψ der Position 28 zur Berechnung der tatsächlichen Feldstärke bzw. des tatsächlichen Fahrtrichtungswinkels verwendet (Pos. 30). Zur Ermittlung des Korrekturwinkels kann die Tabelle des Speichers 35 verwendet werden. Sowohl die gemessenen Feldstärkewerte als auch der Fahrtrichtungwinkel sind zur weiteren Verarbeitung ver­ fügbar. Nach dieser Prozedur beginnt der Programmablauf wieder mit dem Zurücksetzen des Streckenzählers X in Position 22.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, die Nei­ gungswinkelkorrektur mit weiteren Korrekturverfahren zu kombinieren. So läßt sich auf einfache Weise beispielsweise der Einfluß der Deklination berücksichtigen, wenn der entsprechende Korrekturfaktor eingegeben wird.

Claims (8)

1. Elektronischer Kompaß für ein Fahrzeug, insbesondere ein Kraft­ fahrzeug, mit einem Magentometer zur Messung der Horizontalkomponen­ te des Erdmagnetfeldes und einer Auswerteschaltung zur Ermittlung der Fahrtrichtung des Fahrzeuges bezüglich des magnetischen Nord­ pols, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische Kompaß (1) einen Drucksensor (5) aufweist, der auf Steigungs- oder Gefällstrecken barometrische Luftdruckänderungen erfaßt und daraus abgeleitete elektrische Signale abgibt, daß aus den elektrischen Signalen des Drucksensors (5) und mindestens einem weiteren Sensor, vorzugsweise des Wegstreckensensors (6), die Steigung des Fahrweges ermittelbar ist, und daß aus der Steigung der Wegstrecke eine Korrektur der vom Magnetometer (3) gemessenen Erdmagnetfeldstärke _E durchführbar ist.

2. Elektronischer Kompaß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Drucksensor (5) nach jeweils einem vorgegebenen Wegab­ schnitt (10) den relativen Luftdruck mißt, daß aus zwei zeitlich aufeinanderfolgenden Meßwerten des Luftdrucks die Druckdifferenz ermittelbar ist, daß die Druckdifferenz in Abhängigkeit von dem Wegabschnitt (10) ermittelt und als elektrisches Signal ausgebbar ist.

3. Elektronischer Kompaß nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei fallenden Luftdruckwerten eine Steigung der Wegstrecke (po­ sitiver Neigungswinkel ψ) und bei steigenden Druckluftwerten ein Ge­ fälle der Wegstecke (negativer Neigungswinkel ψ) vorgebbar ist.

4. Elektronischer Kompaß nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für die Neigungswinkel (ψ) des Wegab­ schnitts (10) Korrekturfaktoren in einem Speicher gespeichert sind, die zur Korrektur der Horizontalkomponenten des Erdmagnetfeldes _E verwendbar sind.

5. Elektronischer Kompaß nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher ein Halbleiterspeicher, vorzugsweise ein ROM, ist.

6. Elektronsicher Kompaß nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Neigungswinkelkorrektur mit weiteren Korrekturfaktoren, vorzugsweise der Deklination kombinierbar ist.

7. Elektronischer Kompaß nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzeige für den Steigungswinkel ψ des Fahrweges vorgesehen ist, dessen Werte aus der Druckdiffernzmes­ sung des relativen Luftdruckes abgeleitet sind.

8. Elektronischer Kompaß nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß neben der korrigierten Fahrtrichtung ei­ ne weitere Größe, vorzugsweise der Neigungswinkel des Fahrweges aus­ gebbar ist.