DE4000345C2 - Verfahren zur Messung der Orientierung eines bewegten Objekts, insbesondere eines Fahrzeugs, und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents
Verfahren zur Messung der Orientierung eines bewegten Objekts, insbesondere eines Fahrzeugs, und Vorrichtung zur Durchführung des VerfahrensInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Orientierung eines bewegten
Objekts, insbesondere eines Fahrzeugs, gemäß dem Oberbegriff des
Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens gemäß
dem Oberbegriff des Anspruchs 2.
Ein solches Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung sind aus DE 32
08 483 A1 bekannt.
Zur Messung der Fahrtrichtung des Fahrzeugs wird ein geomagnetischer
Richtungssensor verwendet, der zwei zueinander rechtwinklige 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 Fahrzeug 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 oder unmagnetisiert
wird, so daß bei der Bestimmung der Fahrtrichtung ein Fehler auftreten
kann.
Bei dem bekannten System wird deshalb die Lage des Mittelpunkts des Meßwertekreises
anhand der neu aufgenommenen Meßwerte fortlaufend korrigiert.
Das Korrekturverfahren beruht auf der Überlegung, daß die Meßwerte
auf einem Kreis mit bekanntem Radius liegen müssen. Wenn beispielsweise
eine Komponente des Vektors (bezogen auf den bisherigen Mittelpunkt des
Meßwertekreises) den Wert 0 hat, so sollte die Verschiebung des Mittelpunktes
in Richtung der anderen Komponente durch die Differenz zwischen
dieser anderen Komponente und dem bekannten Radius gegeben sein. Bei
diesem Korrekturverfahren kann jedoch die Lage des Mittelpunktes jeweils
nur in Richtung einer Koordinatenachse korrigiert werden und jeweils nur
dann, wenn eine der gemessenen Komponenten 0 ist. Um Meßfehler bei
plötzlich auftretenden Magnetisierungsänderungen zu vermeiden, werden bei
dem bekannten System zusätzlich die jeweils neu gemessenen Werte mit den
vorausgegangenen Werten verglichen, und im Fall einer abrupten Änderung,
die nicht durch (stetige) Lageänderungen des Fahrzeugs verursacht sein
kann, wird die neue Lage des Mittelpunkts des Meßwertekreises näherungsweise
anhand der aufgenommenen Meßwerte berechnet.
Aus DE 37 34 057 A1 ist ein vergleichbares Verfahren bekannt, bei dem zur
Bestimmung des Mittelpunktes des Meßwertekreises zwei Meßwertepaare
zugrundegelegt werden, die zu deutlich unterschiedlichen Orientierungen
des Fahrzeugs gehören. Bei gegebenem Radius können genau zwei Kreise so
in die Koordinatenebene gelegt werden, daß die beiden Meßpunkte auf der
Kreislinie liegen. Durch Plausibilitätsbetrachtungen wird dann entschieden,
welcher dieser beiden Kreise der richtige Meßwertekreis ist. Auch hier kann
eine hinreichend genaue Neubestimmung des Mittelpunktes des Meßwertekreises
nur dann vorgenommen werden, wenn sich die Orientierung des
Fahrzeugs um einen hinreichend großen Winkel geändert hat.
Aus E 6 443, Übersetzung der europäischen Patentschrift 0 041 892 (Österreichisches
Patentamt), ist es bekannt, eine Korrektur der Richtungsanzeige
anhand eines Korrekturpolynoms durchzuführen, dessen Koeffizienten beim
Durchlaufen eines Bogenstückes auf dem Meßwertekreis erhalten werden.
Eine Feststellung der Änderung des Magnetisierungszustands aufgrund von
Meßwertvergleichen ist hier nicht vorgesehen.
Weitere mathematische Formalismen zur Berechnung der Korrektur der
Richtungsanzeige bei einer Störung durch das Magnetfeld des Fahrzeugs werden
in DE 37 20 130 A1 und DE 37 34 064 A1 beschrieben.
Aus DE 36 36 087 A1 ist es grundsätzlich bekannt, die Meßgenauigkeit durch
Mittelung über die aufgenommenen Meßwerte zu verbessern.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung
anzugeben, womit eine genauere Neubestimmung des Mittelpunkts des
Meßwertekreises nach einer Magnetisierung oder Ummagnetisierung des
Objekts ermöglicht wird, 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 bevorzugte 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
1. Ein Magnetisierungs-Erfassungsblock 4 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 Richtungssensors 1 dargestellt.
Der Richtungssensor 1 umfaßt einen kreisförmigen (endlosen) Magnetkern 6
aus Permalloy und zwei Wicklungen 7X, 7Y, 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 7X koppelnde magnetische Fluß gleich null
ist, ist die Meßspannung ebenfalls gleich null, d. h., VX = -NdΦ/dt (wobei N
die Anzahl der Windungen der Wicklungen bezeichnet). Entsprechend hat
auch die Meßspannung VY der Wicklung 7Y den Wert null.
Wenn das Erdmagnetfeld He rechtwinklig zu der Wicklung 7X 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 asymmetrisch, wie in
Fig. 5 gezeigt ist.
Die Wicklung 7X liefert somit eine Meßspannung VX mit der in Fig. 6 gezeigten
Wellenform.
Da das Erdmagnetfeld in dem in Fig. 2 gezeigten Fall parallel zu der Wicklung
7Y verläuft, wird die Wicklung 7Y nicht durch das Erdmagnetfeld beeinflußt, so daß in dieser Wicklung keine Meßspannung VY 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 7X und 7Y eine Komponente des Erdmagnetfelds
aufnehmen, so liefern beide Wicklungen Meßspannungen (Meßwerte)
VX und VY, die die Komponenten des Erdmagnetfelds repräsentieren
(Fig. 7).
Die Meßspannungen VX, VY 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:
VX = KB cos R (1)
VY = 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(VX / VY) (3)
Wenn die Meßspannungen VX und VY 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 der Koordinaten X, Y auf einem Kreis (dem Meßwertekreis), wie in Fig. 8
gezeigt ist.
Der so erhaltene Meßwertekreis ist definiert durch die Gleichung (4).
VX² + VY² = (KB)² (4)
Da somit die durch die Meßspannungen VX, VY der Wicklungen 7X, 7Y 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 7X, 7Y 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 korrigieren 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 VX, VY des Richtungssensors
1) abgefragt, und ein in dem Magnetisierungs-Erfassungsblock 4 installierter
(nicht gezeigter) Sensor-Ausgangssignalzähler wird um "1" aufgezählt.
Anschließend werden die in Schritt 210 gelesenen Richtungssignale Xi, Yi,
die zu dem aktuellen Stand i des Ausgangssignalzählers gehören, in einem
nicht gezeigten Speicher des Magnetisierungs-Erfassungsblocks 4 gespeichert.
In Schritt 240 wird durch die CPU (die den Magnetisierungs-Erfassungsblock 4 bildet) entschieden,
ob der Zählerstand des Ausgangssignalzählers den Wert "20" erreicht
hat.
Wenn der Zählerstand noch nicht den Wert "20" erreicht hat, 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 und der Meßwerte Xi und Yi 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
Os durch den Mittelpunkt des Meßwertekreises bei unmagnetisiertem
Fahrzeugaufbau (Koordinaten X und Y = 0) gegeben ist.
In Schritt 260 werden die von der Meßwert-Verarbeitungsschaltung 2 gelieferten Werte
der Koordinaten X, Y erneut gelesen. Anschließend wird in Schritt 270 der
Abstand R der Koordinaten 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 der Wert des Abstandes 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 der Wert des Abstandes 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 der
Koordinaten 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 Xn, Yn (die Koordinaten des
Scheitelpunktes) werden in Schritt 340 von der Meßwert-Verarbeitungsschaltung
2 übernommen.
In Schritt 350 wird der Abstand Rt zwischen den Richtungssignalen Xn,
Yn und dem in Schritt 250 berechneten Mittelpunkt, d. h. der Abstand zwischen
dem Referenzpunkt und dem aktuellen Meßpunkt (Xn, Yn) gemäß der
folgenden Gleichung berechnet
Rt = {(X-)² + (Yn-)²}1/2
In Schritt 360 wird der berechnete Abstand Rt mit dem zuvor in Schritt
270 berechneten Abstand R verglichen. Wenn Rt 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 (Xmax, Ymax) 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 Magnetisierungs-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 | |
| Xmax = Px-Kx | |
| Ymax = Py-Ky | |
| Vorzeichen der Störung | DX = (Px-Kx) / ( Px-Kx ) |
| DY = (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 B1 und B2 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-B1x
- LX₂ = B2x-Ox
- LY₁ = Oy-B1y
- LY₂ = B2y-Oy
- wobei gilt
- Ox: X-Koordinate von O
- Oy: Y-Koordinate von O
- B1x: X-Koordinate von B1
- B1y: Y-Koordinate von B1
- B2x: X-Koordinate von B2
- B2y: Y-Koordinate von B2
Die oben erwähnten Basispunkte B1, B2 geben die Grenzen eines Bereichs
an, in dem sich der Meßwertekreis infolge der Magnetisierung bewegen kann.
B1 gibt die unteren Grenzwerte für die X- und Y-Koordinaten an und B2 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 Os 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
B1, B2 angegeben, wie oben beschrieben wurde.
Im nachfolgenden Schritt 450 werden die Koeffizienten (a₁n bis a₇n; b₁m
bis b₇m) 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 Magnetisierung ΔX, ΔY
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).
ΔX = a₁n + a₂nXmax + a₃nX²max
+ a₄nXmax · LX₁ + a₅n (Xmax · LX₁)²
+ a₆nXmax · LX₂ + a₇n (Xmax · LX₂)²
+ a₄nXmax · LX₁ + a₅n (Xmax · LX₁)²
+ a₆nXmax · LX₂ + a₇n (Xmax · LX₂)²
ΔY = b₁m + b₂mYmax + b₃mY²max
+ b₄mYmax · LY₂ + b₅m(Ymax · LY₁)²
+ b₆mYmax · LY₂ + b₇m(Ymax · LY₂)²
+ b₄mYmax · LY₂ + b₅m(Ymax · LY₁)²
+ b₆mYmax · LY₂ + b₇m(Ymax · LY₂)²
Anschließend wird in Schritt 470 durch den Magnetisierungs-Berechnungsblock 5 der Mittelpunkt
O′ des neuen Meßwertekreises nach der Magnetisierung 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 + ΔX
O′y = Oy + ΔY
O′y = Oy + ΔY
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 Meßwertekreises 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 XmaxK₁ 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 bilden somit insgesamt einen Entscheidungsbaum
zur Bestimmung der Koeffizienten a₁n, a₂n, . . ., a₇n 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
(a₁n bis a₇n; b₁m bis b₇m) 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 Os 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.
Da bei dem beschriebenen 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 Os versetzt sein kann. Dennoch
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 Magnetisierungszustands des Fahrzeugs
wird auf folgende Weise erreicht. Anhand eines großen
Abstands 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 des Abstands R von dem Referenzpunkt K und anhand
der bisherigen Lage des Mittelpunktes O des Meßwertekreises werden Koeffizienten
ausgewählt, die eine genaue Berechnung des Einflusses der
Magnetisierung (ΔX, ΔY) 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 (9)
1. Verfahren zur Messung der Orientierung eines bewegten Objekts, insbesondere
eines Fahrzeugs, bei dem mit Hilfe eines in dem bewegten Objekt
angeordneten geomagnetischen Richtungssensors (1) die beiden Horizontalkomponenten
(Koordinaten 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, und bei
dem anhand der Abweichung des Ausgangssignals des geomagnetischen Richtungssensors
(1) von den vorausgegangenen Ausgangssignalen entschieden
wird, ob eine Änderung des Magnetisierungszustands des Objekts vorliegt,
wobei Parameter berechnet werden, die die Richtung und den Betrag der Abweichung
des Meßergebnisses und die Lage des Mittelpunktes des Meßwertekreises
vor der Änderung des Magnetisierungszustands angeben, und im
Fall einer Änderung des Magnetisierungszustands die Koordinaten (Ox, Oy)
des Mittelpunkes des Meßwertekreises anhand der Magnetisierung (ΔX, ΔY)
des Objekts neu berechnet werden, dadurch gekennzeichnet, daß
- - zur quantitativen Bestimmung der Magnetisierung (ΔX, ΔY) des bewegten Objekts Koeffizienten (a₁n, . . ., a₇n, b₁m, . . ., b₇m) bestimmt werden, indem aus mehreren Sätzen von Koeffizienten, die in Abhängigkeit von der Form des Objekts vorab bestimmt worden sind, durch eine Fallunterscheidung in Abhängigkeit von dem Vorzeichen DX, DY und dem Betrag Xmax, Ymax der Abweichung und von den Koordinaten LX1, LY1 des Mittelpunkts des Meßwertekreises vor Änderung des Magnetisierungszustands ein bestimmter Satz augewählt wird und
- - die Magnetisierung (ΔX, ΔY) als Polynomfunktion der berechneten Parameter unter Verwendung des ausgewählten Satzes von Koeffizienten berechnet wird.
2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit
einem in dem bewegten Objekt angeordneten geomagnetischen Richtungssensor
(1), einer Einrichtung (Richtungsbestimmungsblock 3) zur Bestimmung der Orientierung des Objekts
anhand der Richtung des Vektors von dem Mittelpunkt (O) des Meßwertekreises
zu dem aktuellen Meßpunkt, einer Magnetisierungs-Erfassungseinrichtung
(Magnetisierungs-Erfassungsblock 4), die anhand der Abweichung des Ausgangssignals des geomagnetischen
Richtungssensors (1) von den vorausgegangenen Ausgangssignalen
entscheidet, ob eine Änderung des Magnetisierungszustands des Objekts vorliegt,
einer Einrichtung zur Berechnung von Parametern, die die Richtung
und den Betrag der Abweichung des Meßergebnisses und die Lage des Mittelpunktes
des Meßwertekreises vor der Änderung des Magnetisierungszustands
angeben, und einer Einrichtung zur Berechnung der neuen Koordinaten
(Ox, Oy) des Mittelpunktes des Meßwertekreises anhand der
Magnetisierung (ΔX, ΔY) des Objekts, gekennzeichnet durch
eine Einrichtung, die zur quantitativen Bestimmung der Magnetisierung (ΔX, ΔY) des bewegten Objekts aus mehreren Sätzen von Koeffizienten, die in Abhängigkeit von der Form des Objekts vorab bestimmt worden sind, durch eine Fallunterscheidung in Abhängigkeit von dem Vorzeichen DX, DY und dem Betrag Xmax, Ymax der Abweichung und von den Koordinaten LX1, LY1 des Mittelpunkts des Meßwertekreises vor Änderung des Magnetisierungszustands einen bestimmten Satz von Koeffizienten auswählt und die Magnetisierung (ΔX, ΔY) als Polynomfunktion der berechneten Parameter unter Verwendung des augewählten Satzes von Koeffizienten berechnet.
eine Einrichtung, die zur quantitativen Bestimmung der Magnetisierung (ΔX, ΔY) des bewegten Objekts aus mehreren Sätzen von Koeffizienten, die in Abhängigkeit von der Form des Objekts vorab bestimmt worden sind, durch eine Fallunterscheidung in Abhängigkeit von dem Vorzeichen DX, DY und dem Betrag Xmax, Ymax der Abweichung und von den Koordinaten LX1, LY1 des Mittelpunkts des Meßwertekreises vor Änderung des Magnetisierungszustands einen bestimmten Satz von Koeffizienten auswählt und die Magnetisierung (ΔX, ΔY) als Polynomfunktion der berechneten Parameter unter Verwendung des augewählten Satzes von Koeffizienten berechnet.
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;und eine Einrichtung zur Entscheidung, ob der Wert des Abstands R kleiner oder gleich einem 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 Rt zwischen einem weiteren Meßpunkt mit den Koordinaten Xn, Yn und dem Referenzpunkt (K) gemäß der Formel: Rt = {(Xn-)² + (Y₂-)²}1/2,wenn festgestellt wurde, daß der zuvor berechnete Abstand R den vorgegebenen Wert überschreitet,
- - eine Einrichtung zur Entscheidung, ob der Abstand Rt größer ist als der zuvor gemessene Abstand R und
- - eine Einrichtung zum Ersetzen des zuvor gemessenen Abstands R durch den neuen Abstand Rt 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 Einrichtung
zur Berechnung von Parametern aufweist:
- - eine Einrichtung zur Aufnahme der Koordinaten Kx, Ky des Referenzpunktes
(K) und der Koordinaten Px, Py eines Scheitelpunktes (P), der den
Spitzenwert der magnetisierungsbedingten Meßwertabweichung repräsentiert,
und zur Berechnung des Vorzeichens DX, DY und des Betrages Xmax,
Ymax der Abweichung in Richtung der Koordinatenachsen gemäß den Gleichungen:
Xmax = | Px-Kx |
Ymax = | Py-Ky |
DX = (Px-Kx) / ( | Px-Kx |)
DY = (Py-Ky) / ( | Py-Ky |) - - eine Einrichtung zum Festlegen von Basispunkten B1, B2, 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-B1x
LX₂ = B2x-Ox
LY₁ = Oy-B1y
LY₂ = B2y-Oyzwischen den Koordinaten B1x, B1y, B2x, B2y der Basispunkte und den Koordinaten Ox, Oy des Mittelpunktes des Meßwertekreises vor Eintreten der Magnetisierung, wobei die Koordinaten der Basispunkte B1 und B2 experimentell bestimmt sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die die Einrichtung
zur quantitativen Bestimmung der Magnetisierung die Magnetisierung
ΔX, ΔY mit Hilfe einer Mehrfach-Regressionsanalyse berechnet:
ΔX = a₁n + a₂nXmax + a₃nX²max
+ a₄nXmax · LX₁ + a₅n (Xmax · LX₁)²
+ a₆nXmax · LX₂ + a₇n (Xmax · LX₂)²ΔY = b₁m + b₂mYmax + b₃mY²max
+ b₄mYmax · LY₁ + b₅m (Ymax · LY₁)²
+ b₆mYmax · LY₂ + b₇m (Ymax · LY₂)²
+ a₄nXmax · LX₁ + a₅n (Xmax · LX₁)²
+ a₆nXmax · LX₂ + a₇n (Xmax · LX₂)²ΔY = b₁m + b₂mYmax + b₃mY²max
+ b₄mYmax · LY₁ + b₅m (Ymax · LY₁)²
+ b₆mYmax · LY₂ + b₇m (Ymax · LY₂)²
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, 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 = Ox + ΔX
O′y = Oy + ΔY,wobei Ox, Oy die Koordinaten des Mittelpunkts des Meßwertekreises vor Eintritt der Magnetisierung sind.
O′y = Oy + ΔY,wobei Ox, Oy die Koordinaten des Mittelpunkts des Meßwertekreises vor Eintritt der Magnetisierung sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der vorgegebene
Wert, mit dem der Wert des Abstands R verglichen wird, einer magnetischen
Flußdichte von 4 µT entspricht und daß der vorgegebene Wert, mit
dem der Abstand Rt verglichen wird, einer magnetischen Flußdichte von 40 µT
entspricht.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet,
daß der geomagnetische Richtungssensor (1) zwei rechtwinklig zueinander
angeordnete Wicklungen (7X, 7Y) auf einem Magnetkern (6) aufweist, wobei
eine der Wicklungen (7X) parallel zur Längsrichtung und die andere
Wicklung (7Y) parallel zur Querrichtung des Fahrzeugs orientiert ist.
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