DE4000345A1

DE4000345A1 - Verfahren und vorrichtung zur messung der orientierung eines bewegten objekts, insbesondere eines fahrzeugs

Info

Publication number: DE4000345A1
Application number: DE4000345A
Authority: DE
Inventors: Kenji Takano; Hiroshi Tsuda; Hiroshi Ueno
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1989-01-06
Filing date: 1990-01-08
Publication date: 1990-07-12
Anticipated expiration: 2010-01-09
Also published as: DE4000345C2; US5131155A; JPH02181606A; JPH07101174B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Vorwärts-Richtung oder Fahrtrichtung eines bewegten Objekts, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit Hilfe eines geomagnetischen Richtungssensors. Insbesondere befaßt sich die Erfindung mit einem Verfahren und einer Vorrichtung zur automatischen Korrektur eines durch eine Magnetisierung des Objekts hervorgerufenen Fehlers bei der Messung der Fahrtrichtung.

Ein Beispiel einer herkömmlichen Vorrichtung zur Messung der Fahrtrichtung eines Fahrzeugs wird beschrieben in der (ungeprüften) japanischen Patentanmeldung (erste Veröffentlichung) Showa 59.100812.

Bei dieser Vorrichtung wird zur Messung der Fahrtrichtung des Fahrzeugs ein geomagnetischer Richtungssensor verwendet, der zwei einander rechtwinklig schneidende Wicklungen auf einem kreisförmigen, in horizontaler Lage gehaltenen Kern aufweist. Anhand der Kopplung des Erdmagnetfelds mit den einzelnen Wicklungen werden gemessene Spannungen (Meßwerte) aufgenommen, die den Richtungskomponenten des Erdmagnetfelds entsprechen.

Wenn das Fahrzeugs in dem gleichförmigen Erdmagnetfeld eine vollständige Drehung ausführt und die von den einzelnen Kernwicklungen erhaltenen Meßwerte in einem X-Y-Koordinatensystem eingetragen werden, so liegen die Meßwerte auf einem Kreis, der nachfolgend als "Meßwertekreis" bezeichnet werden soll. Bei einer normalen Fahrt des Fahrzeugs gibt somit die Richtung eines Vektors vom Mittelpunkt des Meßwertekreises zu dem Punkt, dessen Koordinaten durch die gemessenen Spannungen der beiden Wicklungen gebildet werden, die Vorwärtsrichtung des Fahrzeugs an.

Bei dieser Meßvorrichtung ändern sich die Koordinaten des Mittelpunkts des Meßwertekreises, wenn der Fahrzeugaufbau magnetisiert ist, so daß bei der Bestimmung der Fahrtrichtung ein Fehler auftritt. Um diesen Fehler zu korrigieren, läßt man das Fahrzeug eine vollständige Drehung ausführen, und während der Drehung des Fahrzeugs werden die Meßwerte des Richtungssensors in regelmäßigen Zeitintervallen geeigneter Länge aufgenommen.

Nach Vollendung der Drehung des Fahrzeugs werden die aufgenommenen Meßwerte gemittelt, um den Fehler bei der Bestimmung der Fahrtrichtung zu korrigieren.

Ein anderes Beispiel einer bekannten Vorrichtung zur Messung der Fahrtrichtung wird in der (ungeprüften) japanischen Patentanmeldung (erste Veröffentlichung) Showa 63-48-415 beschrieben.

In dieser Veröffentlichung wird zur Korrektur des durch die Magnetisierung des Fahrzeugaufbaus bedingten Meßfehlers ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem eine Schar gedachter X-Achsen und gedachter Y-Achsen definiert wird, die parallel zu der X-Achse bzw. Y-Achse der durch die gemessenen Spannungen aufgespannten V _X-V _Y-Koordinatenebene verlaufen. Wenn die Meßwerte der Meßvorrichtung auf zwei Punkten einer gedachten X-Achse und auf zwei Punkten einer gedachten Y-Achse liegen, so wird die Korrektur ausgeführt, um den durch die Magnetisierung des Fahrzeugaufbaus bedingten Meßfehler zu eliminieren.

Die oben beschriebenen herkömmlichen Vorrichtungen haben jedoch die folgenden Nachteile.

Da bei der zuerst beschriebenen Vorrichtung die Stichprobe der für die Mittelwertbildung verwendeten Meßwerte relativ klein ist, und zwar auch dann, wenn die magnetische Umgebung während der Korrektur zur Kompensation der Magnetisierung des Fahrzeugs ungünstig ist, kann die Lage des Mittelpunkts des Meßwertekreises nicht genau bestimmt werden, und der Fahrer muß mit dem Fahrzeug eine vollständige Drehung (360°) ausführen.

Bei dem zuletzt beschriebenen Verfahren werden zwei Schnittpunkte zwischen dem Meßwertekreis und den beiden Achsen (X-Achse, Y-Achse) benötigt, so daß die Richtungsdaten über einen Winkel von wenigstens 180° aufgenommen werden müssen, um die Schnittpunkte zu bestimmen.

Da es jedoch relativ selten ist, daß das Fahrzeug unmittelbar nachdem es eine bestimmte Magnetisierung angenommen hat, eine Drehung von 180° ausführt, sind die von der Meßvorrichtung gelieferten Richtungsdaten fehlerhaft, bis die Richtungsdaten über einen Winkel von mehr als 180° gesammelt sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache und genaue Neubestimmung des Mittelpunkts des Meßwertekreises nach einer Magnetisierung des Objekts zu ermöglichen, ohne daß das Objekt hierzu um einen großen Winkel gedreht werden muß.

Erfindungsgemäße Lösungen dieser Aufgabe sind in den unabhängigen Patentansprüchen angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Im folgenden werden bevorzgute Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm einer Vorrichtung zur Messung der Fahrtrichtung eines Fahrzeugs;

Fig. 2 eine Schaltskizze eines geomagnetischen Richtungssensors der Vorrichtung nach Fig. 1;

Fig. 3 eine Graphik zur Veranschaulichung des Erregungsmusters des Richtungssensors gemäß Fig. 2;

Fig. 4 eine graphische Darstellung der Änderung des magnetischen Flusses in einem Permalloy-Kern des Richtungssensors, wenn kein äußeres magnetisches Feld anliegt;

Fig. 5 eine Kurve zur Veranschaulichung des Meßvorgangs mit dem Richtungssensor;

Fig. 6 eine graphische Darstellung der Meßspannungen des Richtungssensors;

Fig. 7 eine Grundrißskizze zur Veranschaulichung der Einbaustellung des Richtungssensors in dem Fahrzeugaufbau;

Fig. 8 eine Darstellung des durch die Meßwerte des Richtungssensors definierten Meßwertekreises;

Fig. 9 eine Skizze zur Erläuterung des Falles, daß außer dem Erdmagnetfeld ein weiteres Magnetfeld an dem geomagnetischen Richtungssensor anliegt;

Fig. 10 eine Skizze zur Illustration der Verlagerung des Meßwertekreises infolge der Magnetisierung des Fahrzeugaufbaus;

Fig. 11 ein Flußdiagramm eines Verfahrens zur Bestimmung der Magnetisierung des Fahrzeugaufbaus mit Hilfe der Vorrichtung gemäß Fig. 1;

Fig. 12 ein Flußdiagramm eines Verfahrens zur Berechnung der Stärke der Magnetisierung;

Fig. 13 ein Flußdiagramm eines Verfahrens zur Auswahl eines Satzes von Koeffizienten bei der Berechnung der Stärke der Magnetisierung; und

Fig. 14 eine Skizze zur Erläuterung des Meßwertekreises und der Verlagerung desselben infolge der Magnetisierung des Fahrzeugaufbaus.

Zunächst soll anhand des in Fig. 1 gezeigten Blockdiagramms der Aufbau der Vorrichtung zur Messung der Fahrtrichtung des Fahrzeugs erläutert werden.

Ein geomagnetischer Richtungssensor 1 zerlegt die horizontale Komponente des Erdmagnetfelds in zwei zueinander rechtwinklige Komponenten und liefert Meßwerte in Form elektrischer Signale, die die Stärke dieser beiden Komponenten angeben.

In einer Meßwert-Verarbeitungsschaltung 2 werden die Signale des Richtungssensors 1 in entsprechende digitale Signale umgewandelt. Ein Richtungsbestimmungsblock 3 bestimmt die Fahrtrichtung oder Vorwärts-Richtung des Fahrzeugs anhand der umgewandelten Ausgangssignale des Richtungssensors. Ein Magnetisierungs-Erfassungsblock erfaßt die Magnetisierung des Fahrzeugaufbaus. Ein Magnetisierungs-Berechnungsblock 5 berechnet die Stärke der Magnetisierung des Fahrzeugaufbaus, wie nachfolgend näher erläutert wird.

Der Richtungsbestimmungsblock 3, der Magnetisierungs-Erfassungsblock 4 und der Magnetisierungs-Berechnungsblock 5 werden beispielsweise durch einen Mikrocomputer realisiert. Ein solcher Mikrocomputer enthält allgemein eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU), einen Speicher mit wahlfreiem Zugriff (RAM), einen Nur-Lese-Speicher (ROM) und eine Eingabe/Ausgabe- Einheit (I/O-Einheit).

In Fig. 2 ist der Aufbau des geomagnetischen Richtungssensor 1 dargestellt.

Der Richtungssensor 1 umfaßt einen kreisförmigen (endlosen) Magnetkern 6 aus Permalloy und zwei Wicklungen 7 X, 7 Y, die rechtwinklig zueinander auf dem Magnetkern 6 aufgewickelt sind. Eine weitere Wicklung 8 ist auf den Umfang des Magnetkerns 6 gewickelt. Eine Erregungs-Spannungsquelle (Wechselspannungsquelle) 9 ist mit der Wicklung 8 verbunden und versorgt diese Wicklung mit einer erregenden Spannung. Auf diese Weise wird der Magnetkern 6 periodisch derart erregt, daß seine Magnetisierung jeweils fast die Sättigungsmagnetisierung erreicht, wie in Fig. 3 graphisch veranschaulicht wird.

Ein anderer möglicher Aufbau des geomagnetischen Richtungssensors wird in dem US-Patent 44 42 609 beschrieben.

Wenn der Richtungssensor 1 sich in einem magnetfeldfreien Raum befindet und die Erregungsspannung an die Wicklung 8 angelegt wird, so haben die magnetischen Flüsse Φ₁ und Φ₂ an den Stellen S₁ und S₂ des Permalloy-Kerns 6 den gleichen Betrag und entgegengesetzte Orientierungen (Phasenverschiebung von 180°), wie in Fig. 4 gezeigt ist.

Da somit der mit der Wicklung 7 X koppelnde magnetische Fluß gleich null ist, ist die Meßspannung ebenfalls gleich null, d. h., V _X = -NdΦ/dt (wobei N die Anzahl der Windungen der Wicklungen bezeichnet). Entsprechend hat auch die Meßspannung V _Y der Wicklung 7 Y den Wert null.

Wenn das Erdmagnetfeld He rechtwinklig zu der Wicklung 7 X orientiert ist, wie in Fig. 2 gezeigt ist, so erhält der Magnetkern 6 eine Vormagnetisierung entsprechend der magnetischen Flußdichte Be = µHe (wobei µ die Permeabilität der Permalloy-Legierung bezeichnet).

Infolgedessen sind die magnetischen Flüsse Φ₁ und Φ₂ asymmetisch, wie in Fig. 5 gezeigt ist.

Die Wicklung 7 X liefert somit eine Meßspannung V _X mit der in Fig. 6 gezeigten Wellenform.

Da das Erdmagnetfeld in dem in Fig. 2 gezeigten Fall parallel zu der Wicklung 7 Y verläuft, wird die Wicklung 7 Y nicht durch das Erdmagnetfeld beeinflußt, so daß in dieser Wicklung keine Meßspannung V _Y induziert wird.

Der geomagnetische Richtungssensor 1 ist in der in Fig. 7 gezeigten Weise in waagerechter Orientierung in dem Fahrzeug montiert. Wenn das Erdmagnetfeld He beispielsweise so in bezug auf die Längsrichtung des Fahrzeugs orientiert ist, daß beide Wicklungen 7 X und 7 Y eine Komponente des Erdmagnetfelds aufnehmen, so liefern beide Wicklungen Meßspannungen (Meßwerte) V _X und V _Y, die die Komponenten des Erdmagnetfelds repräsentieren (Fig. 7).

Die Meßspannungen V _X, V _Y sind durch die folgenden Gleichungen (1) und (2) gegeben, wobei der Wert K eine Wicklungskonstante und der Wert B die Horizontalkomponente des Erdmagnetfelds He ist:

V _X = KB cos R (1)

V _Y = KB sin R (2)

Der Winkel R zwischen der Querrichtung des Fahrzeugs und dem Erdmagnetfeld He (Fig. 7) kann somit durch die folgende Gleichung (3) ausgedrückt werden:

R = tan^-1(V _X/V _Y ) (3)

Wenn die Meßspannungen V _X und V _Y als Koordinaten X und Y in einem zweidimensionalen kartesischen Koordinatensystem eingetragen werden und wenn das Fahrzeug eine vollständige Drehung um seine vertikale Achse ausführt, so liegen die in den verschiedenen Orientierungen des Fahrzeugs erhaltenen Meßwerte X, Y auf einem Kreis (dem Meßwertekreis), wie in Fig. 8 gezeigt ist.

Der so erhaltene Meßwertekreis ist definiert durch die Gleichung (4).

V _X² + V _Y² = (KB )² (4)

Da somit die durch die Meßspannungen V _X, V _Y der Wicklungen 7 X, 7 Y gebildeten Koordinaten auf einem Kreis liegen, kann die Fahrtrichtung (Vorwärts-Richtung) Fr des Fahrzeugs aus der Richtung des Vektors vom Mittelpunkt des Meßwertekreises zu dem jeweiligen Meßpunkt abgeleitet werden (Fig. 8).

Wenn außer dem Erdmagnetfeld He noch ein weiteres Magnetfeld G, das durch eine Magnetisierung des Fahrzeugaufbaus hervorgerufen wird, mit den Wicklungen 7 X, 7 Y koppelt, wie in Fig. 9 gezeigt ist, so verlagert sich der Meßwertekreis von der in Fig. 10 durch eine gestrichelte Linie angedeuteten Position zu der durch eine durchgezogene Linie angegebenen Position.

Infolgedessen tritt bei der durch den Richtungsbestimmungsblock 3 durchgeführten Bestimmung der Fahrtrichtung des Fahrzeugs ein Fehler auf.

Um diesen Fehler automatisch korrogieren zu können, wird die Magnetisierung des Fahrzeugaufbaus mit Hilfe des Magnetisierungs-Erfassungsblocks 4 präzise erfaßt.

Die in dem Magnetisierungs-Erfassungsblock 4 durchgeführten Berechnungen werden nachfolgend unter Bezugnahme auf das Flußdiagramm in Fig. 11 erläutert.

Zunächst werden in Schritten 200, 210 und 220 die von der Meßwert-Verarbeitungsschaltung 2 erhaltenen Richtungssignale X und Y (diese Richtungssignale oder Meßwerte entsprechen den Meßspannungen V _X, V _Y des Richtungssensors 1) abgefragt, und ein in dem Erfassungsblock 4 installierter (nicht gezeigter) Sensor-Ausgangssignalzähler wird um "1" aufgezählt.

Anschließend werden die in Schritt 210 gelesenen Richtungssignale X _i, Y _i, die zu dem aktuellen Stand i des Ausgangssignalzählers gehören, in einem nicht gezeigten Speicher des Erfassungsblocks 4 gespeichert.

In Schritt 240 wird durch die CPU (die den Erfassungsblock 4 bildet) entschieden, ob der Zählerstand des Ausgangssignalzählers den Wert "20" erreicht hat.

Wenn der Zählerstand noch nicht den Wert "20" erreicht, erfolgt ein Rücksprung zu dem Schritt 210, und die Schritte 210, 220, 230 und 240 werden wiederholt, bis der Zählerstand "20" erreicht ist.

Nachdem in dieser Weise zwanzig Meßwertpaare aufgenommen wurden, werden in Schritt 250 die Mittelwerte X und Y der Meßwerte _i und _i gebildet:

Das durch die Mittelwerte gebildete Wertepaar ( , ) soll nachfolgend als "Referenzpunkt" bezeichnet werden.

Die Koordinaten des Referenzpunktes, des Mittelpunktes des Meßwertekreises, eines (später erläuterten) Scheitelpunktes und von (ebenfalls später erläuterten) Basispunkten beziehen sich auf ein Koordinatensystem, dessen Ursprung O _s durch den Mittelpunkt des Meßwertekreises bei unmagnetisiertem Fahrzeugaufbau (Richtungswerte X und Y = 0) gegeben ist.

In Schritt 260 werden die von der Verarbeitungsschaltung 2 gelieferten Richtungssignale X, Y erneut gelesen. Anschließend wird in Schritt 270 die Abweichung R der Richtungssignale X, Y von den in Schritt 250 berechneten Mittelwerten gemäß folgender Gleichung berechnet.

R = { (X- )² + (Y- )² } ^1/2

In Schritt 280 wird überprüft, ob die Abweichung R kleiner als 4 µT (40 Milligauß) ist, was der Stärke des Erdmagnetfelds entspricht.

Wenn die Abfrage in Schritt 280 verneint wird, d. h., wenn die Abweichung R größer ist als 4 µT, so wird entschieden, daß ein extremes Ausgangssignal erzeugt wurde, (d. h., daß eine magnetische Störung vorliegt).

Wenn das Ergebnis in Schritt 280 positiv ist (R 4µT), so werden die zuerst aufgenommenen Meßwerte X₁ und Y₁ gelöscht, und die bisherigen Werte X₂, . . . X₂₀ und Y₂ . . . Y₂₀ werden sequentiell als die neuen Werte X₁ . . . X₁₉ bzw. Y₁ . . . Y₁₉ gespeichert (Schritte 290 bis 320).

In Schritt 330 werden die zuletzt (in Schritt 260) aufgenommenen Meßwerte X, Y als neue Werte X₂₀, Y₂₀ gespeichert, und es erfolgt ein Rücksprung zu Schritt 250, so daß der Mittelwert (Referenzpunkt) neu bestimmt wird. Die Schritte 250 bis 330 werden wiederholt, bis ein extremes Ausgangssignal festgestellt wird.

Wenn das Ergebnis in Schritt 280 negativ ist, wird ein Anstieg des extremen Ausgangssignals ermittelt. In diesem Fall erfolgt keine Neubestimmung des Referenzpunktes, und neue Richtungssignale X _n, Y _n (die Koordinaten des Scheitelpunktes) werden in Schritt 340 von der Meßwert-Verarbeitungsschaltung 2 übernommen.

In Schritt 350 wird die Abweichung R _t zwischen den Richtungssignalen X _n, Y _n und dem in Schritt 250 berechneten Mittelpunkt, d. h. der Abstand zwischen dem Referenzpunkt und dem aktuellen Meßpunkt (X _n, Y _n) gemäß der folgenden Gleichung berechnet

R _t = { (X- )² + (Y- )² } ^1/2

In Schritt 360 wird die berechnete Abweichung R _t mit der zuvor in Schritt 270 berechneten Abweichung R verglichen. Wenn R _t größer oder gleich R ist, wird zu Schritt 370 verzweigt. Andernfalls wird der Schritt 370 übersprungen, und es wird unmittelbar der Schritt 380 ausgeführt. Alternativ erfolgt im Anschluß an das Abfrageergebnis "NEIN" in Schritt 360 ein Rücksprung zu Schritt 340. In diesem Fall werden in der Schleife 340-370 die Koordinaten (X _max, Y _max) eines Scheitelpunktes ermittelt, für den der Abstand R zum Referenzpunkt maximal ist.

Wenn der geomagnetische Richtungssensor 1 einen starken Ausschlag anzeigt (Störung des Erdmagnetfelds), so wird in Schritt 380 überprüft, ob der Abstand R zwischen dem Scheitelpunkt und dem Referenzpunkt in Einheiten der magnetischen Flußdichte größer als 45 µT (450 mG) ist. Wenn dies der Fall ist, so wird entschieden, daß der Fahrzeugaufbau magnetisiert wurde. Wenn der Abstand kleiner ist als 45 µT, wird entschieden, daß keine Störung in Form einer Magnetisierung des Fahrzeugaufbaus eingetreten ist, und es erfolgt ein Rücksprung zu Schritt 200, so daß die oben beschriebenen Abläufe von vorn beginnen.

Wenn die Abfrage in Schritt 380 bejaht wird, d. h., wenn festgestellt wird, daß der Fahrzeugaufbau magnetisiert wurde, so erfolgt eine Verzweigung nach Schritt 410 in Fig. 12, und es wird der Magnetisierungs-Berechnungsblock 5 aktiviert.

Nachfolgend sollen die von dem Berechnungsblock 5 ausgeführten Verfahrensschritte im einzelnen erläutert werden.

Wenn in Schritt 400 eine Magnetisierung des Fahrzeugaufbaus festgestellt wurde (entsprechend einem positiven Ergebnis der Abfrage in Schritt 380 in Fig. 11), so werden anschließend in Schritt 410 die Koordinaten Px, Py des Scheitelpunktes und die Koordinaten Kx, Ky des Referenzpunktes gelesen (die durch das in Fig. 11 gezeigte Verfahren ermittelt wurden).

Weiterhin werden in Schritt 420 die Koordinaten des Mittelpunktes des Meßwertekreises (des Punktes O in Fig. 8) aus dem Richtungsbestimmungsblock 3 übernommen.

In Schritt 430 werden die Beträge und Vorzeichen der Störung in X- und Y- Richtung gemäß folgenden Gleichungen berechnet

Betrag der Störung
X _max = Px - Kx
	Y _max = Py - Ky
Vorzeichen der Störung	D _X = (Px - Kx)/( Px - Kx )
	D _Y = (Py - Ky)/( Py - Ky )

Der Betrag der Störung gibt den Abstand des Scheitelpunktes zu dem Referenzpunkt an, und das Vorzeichen der Störung gibt die Richtung an, in der der Scheitelpunkt vom Referenzpunkt aus gesehen liegt, d. h., die beiden Richtungen (+ oder -, aktuell) der X- und Y-Koordinaten des Scheitelpunktes, wenn der Referenzpunkt der Ursprung ist.

Anschließend werden in Schritt 440 die Basispunkte B 1 und B 2 gesetzt, deren Koordinaten die Grenzwerte bilden, die von den Mittelpunktskoordinaten des infolge der Magnetisierung verlagerten Meßwertekreises nicht überschritten werden, wie aus Fig. 14 hervorgeht.

Danach werden die Entfernungen LX₁, LX₂, LY₁, LY₂ dieser Punkte in Richtung der X- und Y-Achsen von dem Mittelpunkt O des vor der Magnetisierung geltenden Meßwertekreises wie folgt berechnet.

LX₁ = Ox-B 1 _x
LX₂ = B 2 _x - O_x
LY₁ = Oy - B 1 _y
LY₂ = B 2 _y - O _y
wobei gilt
O _x: X-Koordinate von O
O _y: Y-Koordinate von O
B 1 _x: X-Koordinate von B 1
B 1 _y: Y-Koordinate von B 1
B 2 _x: X-Koordinate von B 2
B 2 _y: Y-Koordinate von B 2

Die oben erwähnten Basispunkte B 1, B 2 geben die Grenzen eines Bereichs an, in dem sich der Meßwertekreis infolge der Magnetisierung bewegen kann. B 1 gibt die unteren Grenzwerte für die X- und Y-Koordinaten an und B 2 gibt die oberen Grenzwerte (in Plus-Richtung) für diese Koordinaten an. Geeignete Werte für diese Grenzwerte werden experimentell bestimmt. Nachdem diese Grenzwerte jedoch einmal festgelegt wurden, sind sie für alle Fahrzeugmodelle gültig (da sich insoweit bei verschiedenen Fahrzeugmodellen keine Änderungen ergeben).

In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist als Ursprung O _s des Koordinatensystems der Mittelpunkt des Meßwertekreises bei unmagnetisiertem Fahrzeug gewählt. Aus Gründen der leichteren Handhabung sind jedoch die Koordinaten des Mittelpunktes des Meßwertekreises vor der aktuellen Magnetisierung durch die Entfernungen LX₁, LX₂, LY₁, LY₂ zu den Basispunkten B 1, B 2 angegeben, wie oben beschrieben wurde.

Im nachfoglenden Schritt 450 werden die Koeffizienten (a₁_n bis a₇_n; b₁_m bis b₇_m) für die Berechnung der Stärke der Magnetisierung festgelegt. Diese Koeffizienten werden festgelegt anhand der oben erwähnten Richtung und des Betrages der Störung und anhand der Mittelpunktskoordinaten (LX₁, LY₁) des Meßwertekreises vor der Störung der Magnetisierung als Parameter.

Anschließend werden in Schritt 460 die Stärken der Magentisierung Δ X, Δ Y anhand der weiter unten angegebenen Gleichungen berechnet, unter Verwendung der Beträge der Störung, der Entfernungen LX₁, LX₂, LY₁, LY₂, die in Schritt 440 aus den Mittelpunktskoordinaten des Meßwertekreises hergeleitet wurden, und unter Verwendung der in Schritt 450 festgelegten Koeffizienten.

Die oben erwähnten Koeffizienten und die nachfolgend wiedergegebenen Gleichungen verwenden experimentelle Daten und wurden hergeleitet mit Hilfe von Verfahren wie beispielsweise einer Mehrfach-Regressionsanalyse (Linearkombination).

Δ X = a₁_n + a₂_n Xmax + a₃_n X²max
+ a₄_n Xmax · LX₁ + a₅_n (Xmax · LX₁)²
+ a₆_n Xmax · LX₂ + a₇_n (Xmax · LX₂)²

Δ Y = b₁m + b₂_m Ymax + b₃_m Y²max
+ b₄_m Ymax · LY₂ + b₅_m(Ymax · LY₁)²
+ b₆_m Ymax · LY₂ + b₇_m(Ymax · LY₂)²

Anschließend wird in Schritt 470 durch den Berechnungsblock 4 der Mittelpunkt O′ des neuen Meßwertekreises nach der Magentisierung des Fahrzeugaufbaus berechnet.

Die X-Koordinate O′x und die Y-Koordinate O′y des Mittelpunkts O′ nach der Magnetisierung sind gegeben durch

O′x = Ox + Δ X
O′y = Oy + Δ Y

In Schritt 480 werden die neuen Mittelpunktskoordinaten O′x, O′y an den Richtungsbestimmungsblock übermittelt und dort als neue Mittelpunktskoordinaten Ox, Oy gespeichert.

Da nach dem oben beschriebenen Verfahren die Mittelpunktskoordinaten des neuen Meßwertskreises nach der Magnetisierung schnell und genau berechnet werden können, wenn der Fahrzeugaufbau magnetisiert wurde oder sich die Magnetisierung des Fahrzeugaufbaus geändert hat, kann die Vorwärtsrichtung des Fahrzeugs jederzeit genau bestimmt werden.

Das Verfahren zur Bestimmung der Koeffizienten in Schritt 450 soll nachfolgend anhand der Fig. 13 näher erläutert werden.

Zunächst werden die Koeffizienten für die Berechnung der X-Komponente festgelegt.

In Schritt 500 wird unterschieden ob das Vorzeichen der Störung (die Richtung vom Referenzpunkt zum Scheitelpunkt) längs der X-Achse positiv oder negativ ist.

In Schritt 510 wird der Betrag Xmax der X-Komponente der Störung mit einem vorgegebenen Wert K₁ verglichen. Wenn Xmax K₁ ist, wird zu Schritt 520 verzweigt. Andernfalls erfolgt eine Verzweigung zu Schritt 550.

In Schritt 520 wird der Wert LX₁ mit einem vorgegebenen Wert K₂ verglichen. Wenn LX₂K₂ ist, erfolgt eine Verzweigung zu Schritt 530, in welchem vorgegebene Koeffizienten a₁₁, a₂₁, . . ., a₇₁ für die Berechnung der X- Komponente ausgewählt werden. Wenn LX₁<K₂, erfolgt eine Verzweigung zu Schritt 540, in welchem für die Berechnung der X-Komponente Koeffizienten a₁₂, a₂₂, . . ., a₇₂ ausgewählt werden.

In Schritt 550 wird die X-Komponente LX₁ des Mittelpunktes des Meßwertekreises mit einem vorgegebenen Wert K₂ verglichen, und wenn LX₁<K₂ ist, werden in Schritt 570 Koeffizienten a₁₄, a₂₄, . . ., a₇₄ für die Berechnung der X-Komponente ausgewählt, während andernfalls in Schritt 560 Komponenten a₁₃, a₂₃, . . ., a₇₃ ausgewählt werden.

Die Schritte 580 bis 640, die den Fall DX<0 betreffen, entsprechen den zuvor beschriebenen Schritten 510 bis 570.

Die Schritte 500 bis 640 somit insgesamt einen Entscheidungsbaum zur Bestimmung der Koeffizienten a₁_n, a₂_n, . . ., a₇_n für die Berechnung der X- Komponente, wobei unterschieden wird zwischen dem Vorzeichen DX der Störung, verschiedenen Beträgen Xmax der Störung und verschiedenen Wertebereichen der X-Koordinate des Mittelpunktes des bisherigen Meßwertekreises.

Die Schritte 700 bis 840 bilden einen entsprechenden Entscheidungsbaum zur Bestimmung der Koeffizienten für die Berechnung der Y-Komponente.

Die Werte der in der oben beschriebenen Weise ausgewählten Sätze von Koeffizienten (a₁_n bis a₇_n; b₁_m bis b₇_m) sind von der Form der Fahrzeugkarosserie abhängig (beispielsweise Limousine oder kastenförmige Karosserie) und werden entsprechend dem jeweiligen Fahrzeugmodell vorab festgelegt.

Auch die Werte, mit denen die Größen Xmax, LX₁, etc. in den oben beschriebenen Entscheidungsbäumen verglichen werden, werden vorab festgelegt. Beispielsweise gilt: K₁ = 500, K₂ = 1500, K₃ = 500 und K₄ = 1500 (in mG).

Der Grund für die oben beschriebene Art der Bestimmung der Koeffizienten in Abhängigkeit von der Richtung und dem Betrag der Störung und der Lage des Mittelpunktes des Meßwertekreises vor der Magnetisierung beruht auf den folgenden Überlegungen.

Da sich bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel die Berechnung der Mittelpunktskoordinaten in bezug auf den Basispunkt je nach Richtung der Störung ändert, müssen die Koeffizienten entsprechend der Richtung der Störung geändert werden.

Da bei geringem Betrag der Störung nur eine schwache Magnetisierung des Fahrzeugaufbaus erzeugt wird, werden die Koeffizienten entsprechend dem Betrag der Störung geändert.

Wenn der Betrag der Störung abnimmt, haben die Koeffizienten annähernd den Wert 0.

Da außerdem die Verlagerung des Mittelpunktes in bezug auf den Koordinatenursprung (Mittelpunkt O _s des Meßwertekreises ohne Magnetisierung) etwas unterschiedlich ausfällt, wenn die betreffende Mittelpunktskoordinate vor der Störung positiv oder negativ ist, werden die Koeffizienten auch in Abhängigkeit von den vorherigen Mittelpunktskoordinaten des Meßwertekreises verändert, so daß die Genauigkeit der Bestimmung des Richtungswinkels des Fahrzeugs wesentlich verbessert werden kann.

In der am 09. August 1989 veröffentlichten japanischen Gebrauchsmusteranmeldung (erste Veröffentlichung) Heisei 1-1 17 712 wird ein Beispiel einer Vorrichtung zur Messung des Fahrtrichtung eines Fahrzeugs beschrieben, bei der eine relative Winkeländerung zwischen zwei Punkten während der Fahrt des Fahrzeugs mit Hilfe eines Kreiselsensors gemessen und die Lage des Mittelpunktes des Meßwertekreises mit Hilfe der die beiden Positionen angebenden Koordinaten bestimmt wird. In der am 04. Dezember 1989 veröffentlichten japanischen Gebrauchsmusteranmeldung Heisei 1-144 814 wird ein weiteres Beispiel einer Vorrichtung zur Messung der Fahrtrichtung eines Fahrzeugs beschrieben, bei der ein Verfahren der kleinsten quadratischen Abweichung angewandt wird. Die Quadratsumme der Differenz zwischen dem Abstand in den Koordinaten zwischen dem Anfangswert und dem augenblicklichen Wert des Mittelpunktes des Meßwertkreises und dem Radius des Meßwertekreises wird bei diesem Verfahren minimiert, um die Lage des Mittelpunktes des Meßwertekreises zu korrigieren.

Wenn das erfindungsgemäße Verfahren mit einem oder beiden der in den beiden oben genannten japanischen Gebrauchsmustern beschriebenen Verfahren kombiniert wird, kann eine noch genauere Korrektur erreicht werden.

Da bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Mittelpunktskoordinaten des Meßwertekreises nach der Magnetisierung des Fahrzeugaufbaus berechnet werden, wobei die zur Berechnung verwendeten Koeffizienten in Abhängigkeit von den einzelnen Parametern eingestellt werden, die die Richtung und den Betrag der Störung und die Lage des Mittelpunkts des Meßwertekreises vor der Erzeugung der Störung (vor der aktuellen Magnetisierung) angeben, kann die Korrektur der Mittelpunktskoordinaten ausgeführt werden, sobald die Störung auftritt und der Fahrzeugaufbau magnetisiert wird, ohne daß eine Änderung des durch das Ausgangssignal des geomagnetischen Sensors angegebenen Winkels infolge einer Lageänderung des Fahrzeugs erforderlich ist, wenn sich der Mittelpunkt des Meßwertekreises infolge der Magnetisierung verlagert.

Somit kann eine schnelle und genaue Korrektur der Mittelpunktskoordinaten und damit eine präzise Bestimmung der Fahrtrichtung des Fahrzeugs jederzeit erreicht werden, insbesondere auch dann, wenn die Magnetisierung, die die magnetische Umgebung beeinträchtigt, auf einer geraden Strecke oder innerhalb eines Gebäudes auftritt.

Bei einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Messung der Vorwärtsrichtung eines Fahrzeugs wird ein geomagnetischer Sensor verwendet, der als Ausgangssignal der beiden Horizontalkomponenten X, Y des gemessenen Magnetfelds liefert. Die möglichen Meßwerte liegen auf einem Kreis, der infolge von Störfeldern, die durch eine Magnetisierung des Fahrzeugs hervorgerufen werden, gegenüber dem Koordinatensprung O _s versetzt sein kann. Dennoch noch läßt sich die Orientierung des Fahrzeugs anhand der Richtung des Vektors vom Mittelpunkt des Kreises zum jeweiligen Meßpunkt ermitteln. Eine rasche und genaue Bestimmung der Lage des Mittelpunktes des Meßwertekreises bei einer Änderung des Magentisierungszustands des Fahrzeugs wird erfindungsgemäß auf foglende Weise erreicht. Anhand einer starken Abweichung R eines neuen Meßpunktes P von einem Referenzpunkt K, der das gleitende Mittel der vorherigen Meßpunkte bildet, wird festgestellt, daß eine Änderung des Magnetisierungszustands eingetreten ist. Anhand des Betrages und der Richtung der Abweichung R von dem Referenzpunkt K und anhand der bisherigen Lage des Mittelpunktes O des Meßwertekreises werden Koeffizienten ausgewählt, die eine genaue Berechnung des Einflusses (Δ X, Δ Y) der Magnetisierung des Fahrzeugaufbaus gestatten, so daß die neue Lage O′ des Mittelpunkts des Meßwertekreises bestimmt werden kann.

Zur Feststellung, daß eine Magnetisierung des Fahrzeugaufbaus eingetreten ist oder daß sich der Magnetisierungszustand geändert hat, kann auch der Abstand der Meßpunkte vom bisherigen Mittelpunkt des Meßwertekreises mit der üblichen Stärke des Erdmagnetfeldes verglichen werden.

Claims

1. Verfahren zur Messung der Orientierung eines bewegten Objekts, bei dem mit Hilfe eines in dem bewegten Objekt angeordneten geomagnetischen Richtungssensors (1) die bieden Horizontalkomponenten (X, Y) des Erdmagnetfelds in einem rechtwinkligen Koordinatensystem gemessen werden und die Orientierung des Objekts aus der Richtung eines Vektors abgeleitet wird, der von dem Mittelpunkt (O) eines den geometrischen Ort aller Meßwertepaare bildenden Meßwertekreises zu dem aktuellen Meßwertepaar in der Koordinatenebene führt, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte

a) anhand des Ausgangssignals des geomagnetischen Richtungssensors (1) wird entschieden, ob eine durch eine Änderung des Magnetisierungszustands des Objekts bedingte Abweichung des Meßergebnisses vorliegt,
b) es werden Parameter (DX, DY, X _max, Y _max, LX₁, LY₁) berechnet, die die Richtung und den Betrag der Abweichung des Meßergebnisses und die Lage des Mittelpunktes des Meßwertekreises vor der Änderung des Magnetisierungszustands angeben,
c) Koeffizienten (a₁_n, . . ., a₇_n, b₁_m, . . ., b₇_m) zur quantitativen Bestimmung der Magnetisierung (Δ X, Δ Y) des Objekts werden anhand der berechneten Parameter ausgewählt,
d) die Magnetisierung (Δ X, Δ Y) wird als Polynomfunktion der in Schritt (b) berechneten Parameter unter Verwendung der in Schritt (c) berechneten Koeffizienten berechnet und
e) anhand der berechneten Magnetisierung (Δ X, Δ Y) werden die neuen Koordinaten (Ox, Oy) des Mittelpunktes des Meßwertekreises berechnet.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einem in dem bewegten Objekt installierten geomagnetischen Richtungssensor (1) und einer Einrichtung (3) zur Bestimmung der Orientierung des Objekts anhand der Richtung des Vektors von dem Mittelpunkt (O) des Meßwertekreises zu dem aktuellen Meßpunkt, gekennzeichnet durch:

a) eine Magnetisierungs-Erfassungseinrichtung (4), die anhand des Ausgangssignals des geomagnetischen Richtungssensors (1) entscheidet, ob eine durch eine Änderung des Magnetisierungszsutands des Objekts bedingte Abweichung des Meßergebnisses vorliegt,
b) eine Einrichtung zur Berechnung von Parametern (DX, DY, X _max, Y _max, LX₁, LY₁), die die Richtung und den Betrag der Abweichung des Meßergebnisses und die Lage des Mittelpunktes des Meßwertekreises vor der Änderung des Magnetisierungszustands angeben,
c) eine Einrichtung zur Auswahl von Koeffizienten (a₁_n, . . ., a₇_n, b₁_m, . . ., b₇_m) zur quantitativen Bestimmung der Magnetisierung (Δ X, Δ Y) des Objekts anhand der berechneten Parameter,
d) eine Einrichtung zur Berechnung der Magnetisierung (Δ X, Δ Y) als Polynomfunktion der in Schritt (b) berechneten Parameter unter Verwendung der in Schritt (c) berechneten Koeffizienten und
e) eine Einrichtung zur Berechnung der neuen Koordinaten (Ox, Oy) des Mittelpunkts des Meßwertekreises anhand der berechneten Magnetisierung (Δ X, Δ Y).

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetisierungs-Erfassungseinrichtung aufweist:

- eine Einrichtung zur Berechnung der Mittelwerte , einer vorbestimmten Anzahl der aufeinanderfolgend aufgenommenen Werte der X- und Y-Komponenten des Ausgangssignals des Richtungssensors(1),
- eine Einrichtung zur Berechnung des Abstands (R) zwischen einem Referenzpunkt (K), dessen Koordinaten durch die Mittelwerte , gegeben sind, und dem zuletzt aufgenommenen Meßpunkt mit den Koordinaten X, Y, gemäß der Formel: R = { (X- )² + (Y- )² } ^1/2; undeine Einrichtung zur Entscheidung ob der Wert R kleiner oder gleich einen vorgegebenen Wert ist, der der Stärke des Erdmagnetfelds entspricht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetisierungs-Erfassungseinrichtung (4) weiterhin aufweist:

- eine Einrichtung zur Berechnung des Abstands R _t zwischen einem weiteren Meßpunkt mit den Koordinaten X _n, Y _n und dem Referenzpunkt gemäß der Formel: R _t = { (X _n- )² + (Y₂- )² } ^1/2wenn festgestellt wurde, daß die zuvor berechnete Differenz R den vorgegebenen Wert überschreitet,
- eine Einrichtung zur Entscheidung ob der Abstand R _t größer ist als der zuvor gemessene Abstand R und
- eine Einrichtung zum Ersetzen des zuvor gemessenen Abstands R durch den neuen Abstand R _t und zur Entscheidung ob der neue Abstand größer oder gleich einem weiteren vorgegebenen Wert ist, der der Stärke einer Magnetisierung des Objekts entspricht.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Parameter- Berechnungseinrichtung aufweist:

- eine Einrichtung zur Aufnahme der Koordinaten K _x. K _y des Referenzpunktes (K) und der Koordinaten P _x, P _y eines Scheitelpunktes (P), der den Spitzenwert der magnetisierungsbedingten Meßwertabweichung repräsentiert, und zur Berechnung des Vorzeichens Dx, Dy und des Betrages X _max, Y _max der Abweichung in Richtung der Koordinatenachsen gemäß den Gleichungen: X _max = | Px - Kx |
Y _max = | Py - Ky |
D X = (Px - Kx)/( | Px - Kx | )
D Y = (Py - Ky)/( | Py - Ky | )
- eine Einrichtung zum Festlegen von Basispunkten B 1, B 2, die die Grenzen eines Bereichs markieren, in welchem sich der Mittelpunkt des Meßwertekreises infolge der Magnetisierung bewegen kann und
- eine Einrichtung zur Berechnung der Koordinatendifferenzen: LX₁ = Ox-B 1 _x
LX₂ = B 2 _x - O _x
LY₁ = Oy - B 1 _y
LY₂ = B 2 _y - O _yzwischen den Koordinaten B 1 _x, B 1 _y, B 2 _x, B 2 _y der Basispunkte und den Koordianten O _x, O _y des Mittelpunktes des Meßwertekreises vor Eintreten der Magnetisierung, wobei die Koordinaten der Basispunkte B 1 und B 2 experimentell bestimmt sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Koeffizienten- Auswahleinrichtung die Koeffizienten (a₁_n bis a₇_n, b₁_m bis b₇_m) in Abhängigkeit von dem Vorzeichen Dx, Dy und dem Betrag X _max, Y _max der Abweichung und den Koordinaten LX 1, LY 1 des Mittelpunkts des Meßwertekreises vor Eintritt der Magnetisierung aus vorgegebenen Werten auswählt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetisierungs-Berechnungseinrichtung die Magnetisierung Δ X, Δ Y mit Hilfe einer Mehrfach-Regressionsanalyse berechnet: Δ X = a₁_n + a₂_n Xmax + a₃_n X²max
+ a₄_n X _max · LX₁ + a₅_n (X _max · LX₁)²
+ a₆_n X _max · LX₂ + a₇_n (X _max · LX₂)²Δ Y = b₁m + b₂_m Y _max + b₃_m Y²_max
+ b₄_m Y _max · LY₁ + b₅_m(Y _max · LY₁)²
+ b₆_m Y _max · LY₂ + b₇_m(Y _max · LY₂)²

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Berechnung des neuen Mittelpunkts (O′) des Meßwertekreises die Koordinaten O′ _x, O′ _y des neuen Mittelpunkts anhand der folgenden Gleichungen berechnet: O′ _x = O _x + Δ X
O′ _y = O _y + Δ Ywobei O _x, O _y die Koordinaten des Mittelpunkts des Meßkreises vor Eintritt der Magnetisierung sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Auswahl stehenden Sätze von Koeffizienten von der Form des Objekts abhängig sind.

10. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegte Objekt ein Fahrzeug ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der vorgegebene Wert, mit dem der Abstand R verglichen wird, einer magnetischen Flußdichte von 4 µT entspricht und daß der vorgegebene Wert, mit dem der Abstand R _t verglichen wird, einer magnetischen Flußdichte von 40 µT entspricht.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der geomagnetische Richtungssensor (1) zwei rechtwinklig zueinander angeordnete Wicklungen (7 X, 7 Y) auf einem Magnetkern (6) aufweist, wobei eine der Wicklungen (7 X) parallel zur Längsrichtung und die andere Wicklung (7 Y) parallel zur Querrichtung des Fahrzeugs orientiert ist.