DE4000781C2

DE4000781C2 - Verfahren zur Messung der Fahrtrichtung eines Fahrzeugs

Info

Publication number: DE4000781C2
Application number: DE4000781A
Authority: DE
Inventors: Okihiko Nakayama; Hiroshi Tsuda; Katsuhiko Mizushima; Toshiyuki Itoh; Hiroshi Ueno
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1989-01-13
Filing date: 1990-01-12
Publication date: 1994-02-03
Anticipated expiration: 2010-01-13
Also published as: US5151862A; DE4000781A1; JPH07119612B2; JPH02186215A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Fahrtrichtung eines Fahrzeugs. Insbesondere befaßt sich die Erfindung mit einem Verfahren, bei dem zur genaueren Messung der Fahrtrichtung ein geomagnetischer Sensor und ein Kreiselsensor eingesetzt werden.

Aus DE 37 36 386 A1 ist ein Verfahren zur Messung der Fahrtrichtung mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt, bei dem ein geomagnetischer Sensor zur Ermittlung einer absoluten Fahrtrichtung des Fahrzeugs sowie ein Kreiselsensor zur Ermittlung einer relativen Änderung der Fahrtrichtung des Fahrzeugs verwendet werden. Die Fahrtrichtung wird unter Verwendung einer Kombination der Ausgangssignale des geomagnetischen Sensors und des Kreiselsensors bestimmt.

Ein auf einem ähnlichen Prinzip beruhendes Verfahren ist aus JP 58-34 483 A bekannt. Das bei diesem Verfahren angewandte Prinzip soll nachfolgend unter Bezugnahme auf Fig. 1 erläutert werden.

Unter der Annahme, daß das Fahrzeug in einer Richtung P auf einer geraden Strecke fährt, auf der Störungen des Erdmagnetfelds auftreten, wird die mit Hilfe des Kreiselsensors bestimmte Fahrtrichtung durch eine gerade Linie Q repräsentiert. Diese Linie ist stabil und liegt in der Nähe der tatsächlichen Fahrtrichtung P, da der Kreiselsensor bekanntlich nicht durch den magnetischen Zustand in der Umgebung des Fahrzeugs beeinflußt wird. Die Abweichung zwischen den Richtungen P und Q beruht auf einem Fehler infolge einer Drift des Kreiselsensors. Da sich dieser Fehler im Lauf der Zeit oder bei der Zunahme des vom Fahrzeug zurückgelegten Weges akkumuliert, wird die Abweichung zwischen den Richtungen P und Q nach und nach größer, wie in Fig. 1 gezeigt ist. Da andererseits die mit Hilfe des geomagnetischen Sensors festgestellte Fahrtrichtung durch den Umgebungsmagnetismus beeinflußt wird, wird die so ermittelte Fahrtrichtung in Fig. 1 beispielsweise durch eine Sinuskurve R repräsentiert.

Wenn die Fahrtrichtung des Fahrzeugs ausschließlich auf der Grundlage des Ausgangssignals des geomagnetischen Sensors bestimmt wird, wie beispielsweise in der japanischen Patentanmeldung (erste Veröffentlichung) Nr. 59- 100812 vorgeschlagen wird, so wird die Abweichung zwischen der tatsächlichen Fahrtrichtung und der gemessenen Fahrtrichtung beträchtlich groß, wenn die magnetische Umgebung ungünstig ist. Wenn dagegen die Fahrtrichtung ausschließlich mit Hilfe des Kreiselsensors ermittelt wird, wie beispielsweise in der japanischen Patentanmeldung (erste Veröffentlichung) Nr. 59- 202 014 vorgeschlagen wird, so nimmt die Abweichung zwischen der tatsächlichen Fahrtrichtung und der gemessenen Fahrtrichtung mit der Zeit zu, wie oben festgestellt wurde.

Um diese Nachteile zu vermeiden, werden gemäß Fig. 1 obere und untere Schwellenwerte S1 und S2 festgelegt. Diese Schwellenwerte werden ausgewählt, indem man die Differenz zwischen der mit Hilfe des geomagnetischen Sensors gemessenen Richtung R und der mit Hilfe des Kreiselsensors gemessenen Richtung Q ermittelt. Wenn die Richtung R den Schwellenwert S1 oder S2 überschreitet bzw. unterschreitet, so wird die Richtung R korrigiert, indem sie mit dem betreffenden Schwellenwert S1 bzw. S2 gleichgesetzt wird. Auf diese Weise ergibt sich eine Richtungslinie T, die als das Endergebnis der Messung der Fahrtrichtung des Fahrzeugs betrachtet wird. Somit wird die mit Hilfe des geomagnetischen Sensors erhaltene Richtung R anhand der mit Hilfe des Kreiselsensors erhaltenen Richtung Q korrigiert, um den Fehler auf eine Differenz L zwischen dem Schwellenwert und der tatsächlichen Fahrtrichtung P des Fahrzeugs zu reduzieren.

Wie jedoch aus Fig. 1 hervorgeht, ist der Fehler L noch immer relativ groß. Wenn daher die geographische Position des Fahrzeugs anhand der korrigierten Richtungslinie T berechnet wird, so wird die Differenz zwischen der tatsächlichen und der berechneten Fahrzeugposition mit der Zeit größer, da sich der Fehler im Lauf der Zeit akkumuliert.

Bei der bekannten Vorrichtung wird der Kreiselsensor lediglich zur Festlegung der Schwellenwerte verwendet, um das Ausgangssignal des geomagnetischen Sensors zu stabilisieren. Ein wesentlicher Vorteil des Kreiselsensors besteht darin, daß er in der Lage ist, relative Richtungsänderungen mit hoher Genauigkeit und unbeeinflußt durch die magnetische Umgebung zu messen. Dieser wesentliche Vorteil wird bei dem bekannten System nicht effektiv ausgenutzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine genauere Messung der Fahrtrichtung des Fahrzeugs anhand der Ausgangssignale des geomagnetischen Sensors und des Kreiselsensors zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den in Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen.

Erfindungsgemäß wird bei der Berechnung der Fahrtrichtung des Fahrzeugs der Grad der Abhängigkeit der Fahrtrichtung von den Ausgangssignalen des geomagnetischen Sensors und des Kreiselsensors anhand von Kenndaten über die magnetische Umgebung variiert.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 ein Richtungs-Zeit-Diagramm zur Erläuterung der Messung der Fahrtrichtung nach einem herkömmlichen Verfahren;

Fig. 2 ein Blockdiagramm zur Illustration des allgemeinen Aufbaus eines erfindungsgemäßen Systems zur Messung der Fahrtrichtung eines Fahrzeugs;

Fig. 3 ein Blockdiagramm einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 4 ein Flußdiagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise einer Steuereinrichtung der Vorrichtung gemäß Fig. 3;

Fig. 5 ein Flußdiagramm einer Interrupt-Routine, die von der Steuereinrichtung jeweils nach einer vorgegebenen Fahrstrecke ausgeführt wird;

Fig. 6A und 6B Flußdiagramme einer Interrupt-Routine, die von der Steuereinrichtung in vorgegebenen Zeitintervallen ausgeführt wird;

Fig. 7 ein Richtungs-Weg-Diagramm zur Erläuterung des Einflusses von kurzreichweitigen Störungen des Erdmagnetfelds;

Fig. 8(a) ein Richtungs-Weg-Diagramm zur Erläuterung des Einflusses von lang- und kurzreichweitigen Störungen des Erdmagnetfelds auf die Messung der Fahrtrichtung;

Fig. 8(b) ein Richtungs-Weg-Diagramm zur Erläuterung des Einflusses von kurzreichweitigen Störungen des Erdmagnetfelds;

Fig. 8(c) ein Richtungs-Weg-Diagramm zur Erläuterung des Einflusses von langreichweitigen Störungen des Erdmagnetfelds;

Fig. 9(a) eine Graphik zur Illustration der Beziehung zwischen einem von der Steuereinrichtung bestimmten Koeffizienten K₁ und einer Kenngröße β, die die kurzreichweitigen Eigenschaften der magnetischen Umgebung charakterisiert;

Fig. 9(b) eine Graphik zur Erläuterung der Beziehung zwischen einem von der Steuereinrichtung bestimmten Koeffizienten K₂ und einer Kenngröße γ, die die langreichweitigen Eigenschaften der magnetischen Umgebung repräsentiert;

Fig. 10 ein Richtungs-Weg-Diagramm oder Richtungs-Zeit-Diagramm zur Illustration von Änderungen der Richtungskurve in Abhängigkeit von einem Koeffizienten K; und

Fig. 11(a), (b), (c) Graphiken zur Illustration von Änderungen der Kenngrößen β und γ im Fall von langreichweitigen Störungen des Erdmagnetfelds.

Zunächst soll anhand der Zeichnung, insbesondere anhand der Fig. 2, der grundlegende Aufbau und die Funktionsweise eines Systems zur Messung der Fahrtrichtung eines Fahrzeugs erläutert werden.

Gemäß Fig. 2 umfaßt das System eine geomagnetische Richtungsmeßeinrichtung a, die einen Wert für die Fahrtrichtung des Fahrzeugs mit Hilfe eines geomagnetischen Sensors ermittelt, und eine Kreisel-Richtungsmeßeinrichtung b, die einen Wert für die Fahrtrichtung des Fahrzeugs mit Hilfe eines Kreiselgerätes ermittelt. Weiterhin umfaßt das System eine erste Magnetfeld-Bewertungseinrichtung c zur Erzeugung einer ersten Kenngröße β, die eine kurzreichweitige Störung des Erdmagnetfelds, beispielsweise in der Größenordnung von einigen Metern, kennzeichnet. Die Bewertungseinrichtung c berechnet eine Differenz zwischen einer Änderung der mit Hilfe der geomagnetischen Richtungsmeßeinrichtung a gemessenen Fahrtrichtung und einer Änderung der mit Hilfe der Kreisel-Richtungsmeßeinrichtung b gemessenen Fahrtrichtung pro Wegintervall vorgegebener Länge, das von dem Fahrzeug zurückgelegt wurde. Die berechnete Differenz bildet die erste Magnetfeld-Kenngröße β.

In der Praxis kann die Berechnung von der ersten Bewegungseinrichtung c zunächst auf der Basis eines vorgegebenen Zeitintervalls ausgeführt und das Ergebnis anschließend entsprechend einem von dem Fahrzeug zurückgelegten vorgegebenen Wegintervall transformiert werden.

Eine zweite Magnetfeld-Bewertungseinrichtung e liefert eine zweite Magnetfeld-Kenngröße γ, die eine langreichweitige Störung des Erdmagnetfelds, beispielsweise in der Größenordnung von einigen zehn bis einigen hundert Metern, kennzeichnet. Die zweite Bewertungseinrichtung e berechnet eine Differenz zwischen einer Fahrtrichtung des Fahrzeugs, die mit Hilfe einer weiter unten beschriebenen Fahrtrichtungs-Ermittlungseinrichtung d unter Verwendung der ersten Magnetfeld-Kenngröße β ermittelt wurde, und einer Fahrtrichtung des Fahrzeugs, die mit Hilfe der geomagnetischen Richtungsmeßeinrichtung a ermittelt wurde, pro vorgegebenes Wegintervall, das von dem Fahrzeug zurückgelegt wurde. Diese Differenz bildet die zweite Magnetfeld-Kenngröße γ.

Die oben erwähnte Fahrtrichtungs-Ermittlungseinrichtung d berechnet die Fahrtrichtung des Fahrzeugs aus den Ausgangssignalen der geomagnetischen Richtungsmeßeinrichtung a und der Kreisel-Richtungsmeßeinrichtung b, wobei der Grad der Abhängigkeit des Ergebnisses von diesen Ausgangssignalen auf der Grundlage der ersten und zweiten Kenngrößen β und γ verändert wird.

Wenn die Fahrtrichtung des Fahrzeugs allein mit Hilfe des geomagnetischen Sensors gemessen wird, so kann normalerweise, d. h., wenn keine nennenswerte Störung des Erdmagnetfelds vorliegt, ein genaues Meßergebnis erzielt werden. Wenn dagegen eine wesentliche Störung des Erdmagnetfelds vorliegt, läßt sich kein genaues Meßergebnis erreichen. Wenn andererseits die Messung der Fahrtrichtung allein mit Hilfe des Kreiselsensors ausgeführt wird, so akkumuliert sich der durch die Drift des Kreiselsensors verursachte Fehler mit der Zunahme des von dem Fahrzeug zurückgelegten Weges. Folglich kann über kurze Entfernungen ein zuverlässiges Meßergebnis erhalten werden, während sich über längere Entfernungen eine große Abweichung von der wahren Fahrtrichtung des Fahrzeugs ergibt.

Um die Eigenschaften beider Sensoren in möglichst effizienter Weise auszunutzen, werden die oben beschriebenen Magnetfeld-Kenngrößen β und γ ermittelt und ausgewertet. Indem die Gewichtung des geomagnetischen Sensors und des Kreiselsensors variiert wird, und zwar nicht in einem EIN-AUS-Modus, sondern kontinuierlich, auf der Grundlage der ersten und zweiten Kenngrößen β und γ, ist es möglich, für die Fahrtrichtung des Fahrzeugs ein genaues Meßergebnis zu erhalten, das weder durch die magnetischen Störungen noch durch die Drift des Kreiselsensors nennenswert verfälscht wird.

Nachfolgend soll unter Bezugnahme auf Fig. 3 bis 11 der Zeichnunge in bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Messung der Fahrtrichtung im einzelnen erläutert werden.

In Fig. 3 ist ein Blockdiagramm der zugehörigen Vorrichtung gezeigt. Ein Wegsensor 1 liefert ein den von dem Fahrzeug zurückgelegten Weg angebendes Ausgangssignal an eine Steuereinrichtung 4. Der Wegsensor 1 wird beispielsweise durch einen fotoelektrischen oder elektromagnetischen Sensor oder einen mechanischen Berührungssensor geliefert, der Impulssignale mit einer zu der Drehzahl eines Reifens des Fahrzeugs proportionalen Frequenz liefert. Von einem geomagnetischen Sensor 2 erhält die Steuereinrichtung 4 ein Ausgangssignal, das die anhand des Erdmagnetfelds bestimmte absolute Fahrtrichtung des Fahrzeugs angibt. Ein Änderungsraten-Kreiselsensor 3 liefert an die Steuereinrichtung 4 ein Ausgangssignal, das Änderungen der Fahrtrichtung des Fahrzeugs anzeigt.

Die Steuereinrichtung 4 enthält beispielsweise einen Mikrocomputer, in dem die von dem Wegsensor 1, dem geomagnetischen Sensor 2 und dem Kreiselsensor 3 erhaltenen Signale verarbeitet werden. Die Steuereinrichtung 4 zählt die von dem Wegsensor 1 übermittelten Impulse und berechnet hieraus den von dem Fahrzeug zurückgelegten Weg. Weiterhin berechnet die Steuereinrichtung 4 die Fahrtrichtung des Fahrzeugs auf der Grundlage der Ausgangssignale des geomagnetischen Sensors 2 und des Kreiselsensors 3, um jeweils nach Zurücklegung einer vorgegebenen Einheits-Wegstrecke durch das Fahrzeug die Position des Fahrzeugs in einem zweidimensionalen Koordinatensystem (X-Y-Koordinatensystem) zu bestimmen.

Durch eine Anzeigeeinrichtung 5, beispielsweise eine Kathodenstrahlröhre oder eine Flüssigkristallanzeige, wird aufeinanderfolgend jeweils die aktuelle Position des Fahrzeugs gemäß den von der Steuereinrichtung 4 übermittelten Positionsdaten angezeigt.

Die allgemeine Funktionsweise des Systems zur Bestimmung der Fahrtrichtung soll nachfolgend anhand der Fig. 4 erläutert werden, die ein Flußdiagramm eines zur Berechnung der aktuellen Position des Fahrzeugs in dem X-Y-Koordinatensystem ausgeführten Programms zeigt.

Unmittelbar nach dem Start des Programms wird in einem Initialisierungsschritt 100 eine Initialisierungsroutine ausgeführt. In einem Schritt 102 wird die augenblickliche Position des Fahrzeugs durch den Fahrer über eine Tastatur eingegeben, und anschließend werden in Schritt 104 ein Umgebungsplan sowie die aktuelle Position des Fahrzeugs durch die Anzeigeeinrichtung 5 angezeigt.

Nachdem in einem Interrupt-Freigabeschritt 106 der Start einer Interrupt-Routine ermöglicht wurde, tritt das Programm in eine durch die Schritte 108 bis 114 gebildete Hauptschleife ein. Wenn in dieser Hauptschleife in Schritt 112 anhand der Ergebnisse von Interrupt-Routinen 108 und 110 festgestellt wird, daß sich die aktuelle Position des Fahrzeugs geändert hat, so werden in Schritt 114 die angezeigte Position des Fahrzeugs und der Umgebungsplan aktualisiert.

Fig. 5 zeigt ein Flußdiagramm der in Fig. 4 als Schritt 108 bezeichneten Interrupt-Routine. Dieser Interrupt wird jeweils aufgerufen, nachdem das Fahrzeug ein vorgegebenes Wegintervall ΔD zurückgelegt hat. Wenn der Wegsensor 1 bei jeder vollständigen Drehung des Reifens 24 Impulse liefert, so wird die Interrupt-Routine bei jeder Drehung des Reifens vierundzwanzigmal aufgerufen. Das Wegintervall ΔD hat dann eine Länge von beispielsweise 6 bis 7 cm. Dieser Wert ist jedoch vom Außendurchmesser des Reifens abhängig.

Gemäß Fig. 5 wird in einem Schritt 400 bei jeder Ausführung der Interrupt-Routine ein Zähler SSS um eins aufgezählt. Dieser Zähler wird verwendet, um festzustellen, ob das Fahrzeug angehalten hat. Außerdem wird in Schritt 402 ein Zähler S bei jeder Ausführung der Interrupt-Routine um eins aufgezählt, und in Schritten 404 und 406 wird ein Zähler SS jeweils nach zwölf Durchläufen der Interrupt-Routine (bei einer halben Umdrehung des Reifens) um eins aufgezählt. Der Zählerstand des Zählers SS wird um eins erhöht, wenn der Zählerstand des Zählers S den Wert zwölf erreicht hat. In Schritt 408 wird der Zähler S auf null zurückgesetzt. Die Zähler S und SS dienen zur Berechnung der Fahrtrichtung des Fahrzeugs, wie weiter unten näher beschrieben wird. Ein Zähler SSSS wird bei jeder Ausführung der Interrupt-Routine in Schritt 410 um eins aufgezählt und dient zur Berechnung der aktuellen Position des Fahrzeugs, wie ebenfalls weiter unten erläutert werden soll.

Fig. 6A und 6B zeigen ein Flußdiagramm der in Fig. 4 als Schritt 110 bezeichneten Interrupt-Routine. Diese Interrupt-Routine wird in vorgegebenen Zeitintervallen ΔT aufgerufen, beispielsweise alle 100 ms.

Gemäß Fig. 6A wird in einem Schritt 500 überprüft, ob das Fahrzeug steht. Wenn der Zählerstand des Zählers SSS gleich null ist, d. h., wenn das Fahrzeug steht und keine Änderung der Fahrtrichtung möglich ist, erfolgt eine Verzweigung zu einem Schritt 504, unter Umgehung der Schritte zur Berechnung der Fahrtrichtung. In Schritt 504 wird die Drift des Kreiselsensors korrigiert. Da die Winkelgeschwindigkeit des Fahrzeugs null sein sollte, wenn das Fahrzeug steht, entspricht das unter diesen Bedingungen erhaltene Ausgangssignal des Kreiselsensors der Drift.

Wenn dagegen die Abfrage in Schritt 500 verneint wird, d. h., wenn sich das Fahrzeug bewegt, so wird der Zähler SSS in Schritt 502 auf null zurückgesetzt, und anschließend wird der Schritt 506 ausgeführt, in welchem die mit Hilfe des geometrischen Sensors 2 ermittelte absolute Fahrtrichtung R_M des Fahrzeugs gelesen wird. Im anschließenden Schritt 508 wird die Differenz ΔR_M zwischen der gelesenen absoluten Fahrtrichtung R_M und der vorherigen absoluten Fahrtrichtung R_MOLD berechnet. Die vorherige absolute Fahrtrichtung R_MOLD ist die absolute Fahrtrichtung R_M, die bei dem vorherigen Durchlauf der Interrupt-Routine gemessen und in Schritt 534 (Fig. 6B) für den nachfolgenden Zyklus gespeichert wurde.

In Schritt 510 wird die mit Hilfe des Kreiselsensors 3 gemessene Winkelgeschwindigkeit ω_G des Fahrzeugs um die Gierachse gelesen, und in Schritt 512 wird die Richtungsänderung ΔR_G berechnet gemäß der Formel ω_G×ΔT. Wenn in Schritt 514 festgestellt wird, daß die Richtungsänderung ΔR_G dem Betrage nach kleiner ist als (0,3°/s ΔT), so erfolgt eine Verzweigung zu Schritt 516, wo ΔR_G gleich Null gesetzt wird. Dies bedeutet, daß die Richtungsänderung ΔR_G bei den nachfolgenden Berechnungen vernachlässigt wird, wenn der Absolutbetrag dieser Richtungsänderung kleiner als ein vorgegebener Wert ist. Wie oben erwähnt wurde, weist das Signal des Kreiselsensors aufgrund der Drift einen Meßfehler auf. Zwar ist dieser Meßfehler bei einem Zyklus der Interrupt-Routine nur klein, doch kann dieser Meßfehler durch Integration bei der wiederholten Ausführung der Interrupt-Routine beträchtlich groß werden. Durch die Schritte 514 und 516 wird verhindert, daß die durch die Drift des Kreiselsensors verursachten Richtungsabweichungen bei der Ausführung der Interrupt-Routine aufintegriert werden.

In den Schritten 518 bis 530 wird die Fahrtrichtung des Fahrzeugs anhand der von dem geomagnetischen Sensor und dem Kreiselsensor gelieferten Daten berechnet.

In Schritt 518 wird einer Variablen R₁ der Wert R der Fahrtrichtung des Fahrzeugs zugewiesen, der bei der vorherigen Ausführung der Interrupt-Routine ermittelt und in Schritt 536 gespeichert wurde. Anschließend wird in Schritt 520 die mit Hilfe des Kreiselsensors ermittelte Richtungsänderung ΔR_G zu dem Richtungswert R₁ addiert, so daß man einen Richtungswert R₂ erhält. Der Richtungswert R₂ enthält nur die mit Hilfe des Kreiselsensors ermittelte Richtungsänderung in der laufenden Interrupt-Routine.

In den Schritten 522 und 524 werden die Magnetfeld-Kenngrößen β und γ berechnet. Die in Schritt 522 berechnete Kenngröße β entspricht dem Ausgangssignal der ersten Magnetfeld-Bewertungseinrichtung c in Fig. 2, und die in Schritt 524 berechnete Kenngröße γ entspricht dem Ausgangssignal der zweiten Magnetfeld-Bewertungseinrichtung e in Fig. 2.

Die Kenngröße β wird berechnet gemäß der Gleichung

β = | ΔR_G - ΔR_M |

und repräsentiert die Differenz zwischen den Ausgangssignalen des geomagnetischen Sensors und Kreiselsensors innerhalb einer kurzen Wegstrecke oder eines kurzen Zeitintervalls. Diese Kenngröße bildet somit ein Maß für eine kurzreichweitige oder kurzzeitige Störung des Erdmagnetfelds, beispielsweise in der Größenordnung von einigen Metern.

Die Kenngröße β hat die folgende Bedeutung.

Wenn das Fahrzeug auf einer Hochstraße fährt, so nimmt eine Störkomponente in dem Ausgangssignal des geomagnetischen Sensors deutlich zu, während das Fahrzeug einige Meter zurücklegt. Es kann angenommen werden, daß diese Erhöhung der Störkomponente durch Metallbauelemente der Hochstraße verursacht wird. Wenn das Fahrzeug auf einer Straße unter der Hochstraße fährt, ergibt sich ebenfalls eine Zunahme der Störkomponente des Ausgangssignals des geomagnetischen Sensors innerhalb einiger Meter zurückgelegter Fahrstrecke, infolge beiderseits der Fahrbahn angeordneter Stützpfeiler für die Hochstraße. Bei der Kenngröße β handelt es sich um einen Zahlenwert, der die oben erläuterte kurzreichweitige oder kurzfristige Störkomponente quantitativ beschreibt. Demgemäß wird die Kenngröße β gebildet, indem das Ausgangssignal des Kreiselsensors, das über kurze Strecken als genau angesehen werden kann, mit dem entsprechenden Ausgangssignal des geomagnetischen Sensors verglichen wird.

Die zweite Magnetfeld-Kenngröße γ wird dagegen berechnet gemäß der Gleichung

γ = | R₂ - R_M |

und repräsentiert die Differenz zwischen dem in Schritt 520 berechneten Richtungswert R₂ und der in Schritt 506 gelesenen absoluten Fahrtrichtung R_M. Bei dieser Kenngröße handelt es sich somit um einen Zahlenwert, der eine Störung des Erdmagnetfelds, d. h., eine Störung des Ausgangssignals des geomagnetischen Sensors mit einer größeren räumlichen Ausdehnung (beispielsweise in der Größenordnung von einigen 10 bis einigen 100 Metern) als im Fall der Kenngröße β quantitativ beschreibt. Solche langreichweitigen Störungen des Erdmagnetfelds sind beispielsweise dann zu erwarten, wenn das Fahrzeug in geringem Abstand neben Eisenbahnschienen entlangfährt oder auf einer Straße fährt, unter der eine Untergrundbahnstrecke verläuft.

In Fig. 7 und 8 ist der Einfluß von Störungen des Erdmagnetfelds auf die Messung der Fahrtrichtung des Fahrzeugs graphisch dargestellt.

In Fig. 7 und 8(a) ist die tatsächliche Fahrtrichtung des Fahrzeugs durch eine gestrichelte Linie dargestellt. Das Fahrzeug fährt demgemäß stets in der selben Richtung.

Fig. 7 zeigt ein Beispiel, bei dem eine relativ starke kurzreichweitige Störung des Erdmagnetfelds vorliegt. Die durchgezogene Linie zeigt die mit Hilfe des geomagnetischen Sensors ermittelte Fahrtrichtung des Fahrzeugs. Bei diesem Beispiel tritt eine relativ starke Änderung der Kenngröße β auf.

Fig. 8(a) zeigt ein weiteres Beispiel, bei dem sowohl kurzreichweitige Störungen als auch eine langreichweitige Störung des Erdmagnetfelds auftreten, wobei jedoch die kurzreichweitigen Störungen kleiner sind als in Fig. 7. Fig. 8(b) zeigt die kurzreichweitige Komponente der Störung gemäß Fig. 8(a), und Fig. 8(c) zeigt ausschließlich die langreichweitige Komponente der Störung gemäß Fig. 8(a). Bei diesem Beispiel ist die kurzreichweitige Störung relativ klein, d. h., die Änderung der Kenngröße β verhältnismäßig gering, während die langreichweitige Störung relativ groß ist, so daß sich die Kenngröße γ verhältnismäßig stark ändert.

Gemäß Fig. 6B wird in Schritt 526 ein Koeffizient K gemäß der folgenden Gleichung (1) berechnet

Bei dem Koeffizienten K handelt es sich um einen Zahlenwert, der bestimmt, wie schnell sich der in Schritt 520 berechnete Richtungswert R₂ der in Schritt 506 gelesenen absoluten Fahrtrichtung R_M annähert, wie weiter unten näher beschrieben wird.

In der Gleichung (1) bezeichnen die Größen α₁, α₂, α₃, α₄, n 1 und n 2 Konstanten, die beispielsweise die folgenden Werte haben.

α₁ = 0,58
α₂ = 0,02
α₃ = 2
α₄ = 0,1 bis 1
n 1 = 6
n 2 = 1

Wenn diese Werte (mit α₄=0,1) für die entsprechenden Konstanten in Gleichung (1) eingesetzt werden, so erhält man:

Wenn in Gleichung (2) der erste Term auf der rechten Seite mit K₁ und der zweite Term auf der rechten Seite mit K₂ bezeichnet wird, so erhält man:

K = K₁ × K₂ × 0,1.

K₁ wird durch die erste Magnetfeld-Kenngröße β bestimmt, und K₂ wird bestimmt durch die zweite Magnetfeld-Kenngröße γ.

Die Beziehung zwischen K₁ und der Kenngröße β ist graphisch in Fig. 9(a) dargestellt, und Fig. 9(b) veranschaulicht die Beziehung zwischen K₂ und der Kenngröße γ. Wie aus Fig. 9(a) und 9(b) hervorgeht, werden die Größen K₁ und K₂ kleiner, wenn die Magnetfeld-Kenngrößen größer werden.

Die oben erwähnten Konstanten in Gleichung (1) haben die folgende Bedeutung:

α₁: Wenn die Störung des Erdmagnetfelds am geringsten ist (β=0, γ=0), so wird der Koeffizient K maximal. Die Konstante α₁ dient zur Einstellung dieses Maximalwertes. Wenn diese Konstante erhöht wird, so wird die Geschwindigkeit größer, mit der sich der in Schritt 520 berechnete Richtungswert R₂ der in Schritt 506 gelesenen absoluten Fahrtrichtung R_M annähert.
α₂: Diese Konstante dient zur Einstellung der Geschwindigkeit, mit der sich der in Schritt 520 berechnete Richtungswert R₂ der in Schritt 506 gelesenen absoluten Fahrtrichtung R_M in dem Fall annähert, daß die Störung des Erdmagnetfelds in der Größenordnung von einigen Metern liegt, während die langreichweitige Störung minimal ist (β groß, γ=null). Wenn diese Konstante kleiner gewählt wird, so wird die Annäherungsgeschwindigkeit kleiner, und die Abhängigkeit des Ergebnisses von dem Ausgangssignal des Kreiselsensors wird stärker.
α₃: Diese Konstante dient zur Festlegung des Einflusses der Kenngröße γ auf die Annäherungsgeschwindigkeit. Wenn diese Konstante größer gewählt wird, wird der Einfluß auf die Annäherungsgeschwindigkeit größer, und die Abhängigkeit des Ergebnisses von dem Ausgangssignal des Kreiselsensors wird schon bei kleinen Werten von γ stärker.
α₄: Diese Konstante dient zur Einstellung der Annäherungsgeschwindigkeit insgesamt.
n 1: Diese Konstante dient zur Einstellung des Verlaufs der K₁-Kurve in Abhängigkeit von der Kenngröße β. Da diese Konstante beispielsweise in Fig. 9(a) einen großen Wert hat (n 1=6), weist K₁ eine starke Änderung in der Nähe von β=1 auf. Wenn die Konstante n 1 größer gewählt wird, so wird die Änderung von k₁ in der Nähe von β=1 größer, und wenn die Konstante n 1 verringert wird, so wird die Änderung von k₁ in der Umgebung von β=1 kleiner.
n 2: Diese Konstante dient zur Einstellung des Verlaufs der K₂ in Abhängigkeit von der Kenngröße γ. Da beispielsweise in Fig. 9(b) diese Konstante einen kleinen Wert aufweist (n 2=1), ändert sich K₂ nur langsam im Vergleich zu der Kurve K₁ in Fig. 9(a). Da α₃=2 ist, ändert sich K₂ sehr stark in der Nähe von γ=1/2, wenn n 2 größer wird.

Wie aus den obigen Erläuterungen hervorgeht, hängt die Wahl der Konstanten n 1 und n 2 davon ab, ob der Koeffizient K sich schnell oder langsam ändern soll und ob die stärkste Änderung des Koeffizienten K bei bestimmten Werten der Kenngrößen β und γ auftreten soll.

Gemäß Fig. 6B wird in Schritten 528 und 530 der in Schritt 520 berechnete Richtungswert R₂ der in Schritt 506 gelesenen absoluten Fahrtrichtung R_M angenähert. Die Geschwindigkeit, mit der diese Annäherung in den Schritten 528 und 530 erfolgt, wird durch den Koeffizienten K bestimmt. Je größer der Koeffizient K ist, desto schneller und stärker ist die Annäherung.

Wenn beispielsweise in Schritt 530 der Koeffizient K den Wert 1 hat, so gilt:

R₂ = 1 × (R_M - R₂) + R₂ = R_M.

In diesem Fall wird somit der Richtungswert R₂ mit dem Wert R_M in Übereinstimmung gebracht, indem der Schritt 530 nur ein einziges Mal ausgeführt wird. Wenn andererseits der Koeffizient K den Wert 0 hat, so hat der Wert R_M in Schritt 530 keinen Einfluß auf den Richtungswert R₂.

Die oben geschilderten Verhältnisse sind in Fig. 10 illustriert. Wenn das Fahrzeug auf einer geraden Straße fährt und eine schnelle Änderung des Erdmagnetfeldes auftritt, so erfolgt eine schnelle Annäherung des Richtungswertes R₂ an den Wert R_M, wenn der Koeffizient K groß ist, während die Annäherung bei einem kleinen Koeffizienten K langsamer erfolgt.

Wenn keine Störung des Erdmagnetfelds vorliegt, so gilt: β=γ=0, K₁=0,6 und K₂=1,0. Wenn die Konstante α₄ den Wert 1 hat, so ist K=0,6 (ein maximaler Wert). Wenn andererseits die Störung des Erdmagnetfelds sehr stark ist, beispielsweise β=+∞ und γ=+∞, so hat der Koeffizient K den Wert 0. Wenn der Zustand K=0 länger anhält, so wird die Änderung der Fahrtrichtung des Fahrzeugs während der Dauer dieses Zustands ausschließlich mit Hilfe des Kreiselsensors bestimmt, so daß sich der Driftfehler akkumuliert. In der Praxis liegt der Koeffizient K jedoch zwischen dem Minimalwert 0 und dem Maximalwert 0,6, so daß es unwahrscheinlich ist, daß der Zustand K=0 länger anhält und eine Akkumulation des Driftfehlers auftreten kann. Auf lange Sicht nähert sich daher der in Schritt 520 berechnete Richtungswert R₂ aufgrund des Schrittes 530 der absoluten Fahrtrichtung R_M an, so daß der Driftfehler korrigiert wird.

Schritt 528 enthält einen Befehl, der dafür sorgt, daß die Anzahl der Wiederholungen des Schrittes 530 dem Zählerstand des Zählers SS entspricht. Wenn der Zählerstand des Zählers SS=2 ist, so wird der Schritt 530 zweimal ausgeführt. Wenn dagegen der Zählerstand des Zählers SS=0 ist, so wird der Schritt 530 ausgelassen. In Schritt 532 wird der Zähler SS für die nächste Interrupt-Routine auf 0 zurückgesetzt.

Die Wiederholung des Schrittes 530 ist erforderlich, um ein Berechnungsergebnis auf der Grundlage eines vorgegebenen Wegintervalls zu erhalten, da die Interrupt-Routine gemäß Fig. 6A, 6B auf der Basis eines vorgegebenen Zeitintervalls ΔT ausgeführt wird. Das beschriebene Ausführungsbeispiel ist äquivalent zu dem Fall, daß der Schritt 530 nach jeder halben Drehung des Reifens ausgeführt wird, da der Zähler SS jeweils nach zwölf Zählintervallen des Zählers um 1 aufgezählt wird, wie in Fig. 5 gezeigt ist. Zwar wäre es eigentlich zweckmäßig, die Interrupt-Routine jeweils nach einem vorgegebenen Wegintervall auszuführen, doch aufgrund von Problemen, die mit der Arbeitsbelastung der Zentraleinheit des Mikrocomputers zusammenhängen, wird in der Praxis die Interrupt-Routine in bestimmten Zeitintervallen ausgeführt, und das Ergebnis wird so berechnet, daß es einem auf der Basis eines Wegintervalls gewonnenen Ergebnis äquivalent ist.

In Schritt 534 in Fig. 6B wird die in Schritt 506 gelesene absolute Fahrtrichtung R_M als R_MOLD für den nachfolgenden Zyklus gespeichert. In Schritt 536 wird der in Schritt 530 (bei der letzten Wiederholung dieses Schrittes) berechnete Wert R₂ als neuer Wert R für die gemessene Fahrtrichtung gespeichert, und in Schritt 538 werden die Koordinaten X und Y für die neue Position des Fahrzeugs berechnet. In Schritt 538 gibt der Wert ΔD×SSSS die von dem Fahrzeug seit der vorherigen Ausführung der Interrupt-Routine zurückgelegte Wegstrecke an. In Schritt 540 wird der Zähler SSSS auf 0 zurückgesetzt, um den nächsten Zyklus vorzubereiten.

In dem Initialisierungsschritt 100 in Fig. 4 werden die Anfangswerte für die Fahrtrichtung R und R_MOLD auf die von dem geomagnetischen Sensor erhaltene absolute Fahrtrichtung R_M zum Zeitpunkt der Initialisierung eingestellt. Weiterhin werden die Zähler S, SS, SSS und SSSS auf 0 zurückgesetzt.

Nachfolgend sollen die Vorteile erläutert werden, die sich aus der Verwendung von zwei Kenngrößen zur Kennzeichnung der magnetischen Umgebung ergeben.

In Fig. 11(a) ist angenommen, daß eine plötzliche langreichweitige Störung des Erdmagnetfelds in der Größenordnung von einigen 10 Metern bis einigen 100 Metern auftritt, während das Fahrzeug auf einer geraden Fahrbahn fährt. Der Einfachheit halber sind in Fig. 11(a) die kurzreichweitigen Störungen des Erdmagnetfelds in der Größenordnung von einigen Metern vernachlässigt, so daß die Kenngröße β als konstant angesehen werden kann.

Da die Kenngröße γ gemäß Fig. 6A nach der Formel γ=|R₂-R_M| berechnet wird, wird die Kenngröße γ in Fig. 11(a) durch die Differenz zwischen der mit Hilfe des geomagnetischen Sensors ermittelten absoluten Fahrtrichtung R_M (entsprechend dem Wert R_M in Schritt 524 in Fig. 6A) und der mit Hilfe des Kreiselsensors ermittelten Fahrtrichtung R (entsprechend dem Wert R₂ in Schritt 524 in Fig. 6A) dargestellt. Der Verlauf der Kenngröße γ ist in Fig. 11(b) angegeben. Es ist zu erkennen, daß die Kenngröße γ zwischen den Zeitpunkten t₁ und t₁₀ große Werte aufweist. Der Koeffizient K₂ ist deshalb zwischen den Zeitpunkten t₁ und t₁₀ klein, und somit hat auch der Koeffizient K nur einen kleinen Wert. Die oben erwähnte Annäherungsgeschwindigkeit oder der Grad der Annäherung ist deshalb nur gering.

Wenn jedoch das Erdmagnetfeld nach dem Zeitpunkt t₁₀ wieder den Normalwert annimmt, nimmt die Kenngröße γ zwischen den Punkten t₁₀ und t₁₁ schnell ab, und die Annäherungsgeschwindigkeit wird größer.

Fig. 11(c) zeigt den Verlauf des Wertes der Kenngröße β. Es ist zu erkennen, daß die Kenngröße β in dem betrachteten Beispiel lediglich zwei Ausschläge bei den Zeitpunkten t₁ und t₁₀ aufweist und zwischen den Zeitpunkten t₂ und t₉ nur einen kleinen Wert hat, da diese Kenngröße nur auf die Änderungen beim Einsetzen und Abfallen der langreichweitigen Störung anspricht. Wenn die Kenngröße γ bei der Berechnung des Koeffizienten K nicht verwendet würde, ergäbe sich somit zwischen den Zeitpunkten t₂ und t₉ eine hohe Annäherungsgeschwindigkeit, so daß sich die gemessene Fahrtrichtung R sehr schnell der (fehlerhaften) absoluten Fahrtrichtung R_M in Fig. 11(a) annähern würde. Auf diese Weise ergäbe sich deshalb eine starke Abweichung der gemessenen Fahrtrichtung von der tatsächlichen Fahrtrichtung.

In Fig. 11(a), (b) und (c) ist die Skalierung der Weg- bzw. Zeitachse identisch.

Durch Verwendung der beiden Magnetfeld-Kenngrößen β und γ für kurzreichweitige und langreichweitige Störungen ist es möglich, eine präzise Messung der Fahrtrichtung des Fahrzeugs auch bei kurz- und langreichweitigen Störungen des Erdmagnetfelds durchzuführen.

Die oben als Beispiel angegebenen Werte für die Konstanten α₁ bis α₄, n 1 und n 2 wurden unter der Annahme gewählt, daß der Kreiselsensor einen Driftfehler von 0,1°/s aufweist. Wenn ein Kreiselsensor mit einem kleineren Driftfehler verwendet wird, so können die Werte der Konstanten so verändert werden, daß das Meßergebnis stärker von dem Ausgangssignal des Kreiselsensors abhängt, um eine genauere Messung der Fahrtrichtung zu ermöglichen und die Einflüsse von Störungen des Erdmagnetfelds noch weiter zu unterdrücken.

Claims

1. Verfahren zur Messung der Fahrtrichtung eines Fahrzeugs, bei dem in aufeinanderfolgenden Meßzyklen jeweils

- eine Winkelvariable R_M, die die Fahrtrichtung des Fahrzeugs in bezug auf die Richtung des Erdmagnetfelds am Ort des Fahrzeugs angibt, anhand des Ausgangssignals eines geomagnetischen Sensors (2) ermittelt wird,
- ein erster Änderungswinkel ΔR_G, der die Richtungsänderung des Fahrzeugs seit dem letzten Meßzyklus angibt, anhand des Ausgangssignals eines Kreiselsensors (3) ermittelt wird,
- ein zweiter Änderungswinkel ΔR_M berechnet wird, der die Differenz zwischen dem aktuellen Wert der Winkelvariablen R_M und dem vorherigen Wert dieser Variablen angibt, und
- aus diesen Daten ein aktueller Fahrtrichtungswinkel R berechnet wird, der die Fahrtrichtung des Fahrzeugs in einem erdfesten Koordinatensystem angibt,
dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Meßzyklus
- eine erste Kenngröße β berechnet wird, die eine Abweichung zwischen dem ersten Änderungswinkel ΔR_G und dem zweiten Änderungswinkel ΔR_M angibt und so ein Maß für eine kurzreichweitige Störung des Erdmagnetfelds bildet,
- anhand des vorherigen Wertes des Fahrtrichtungswinkels R und des aktuellen Wertes des ersten Änderungswinkels ΔR_G ein vorläufiger Wert R₂ für den neuen Fahrtrichtungswinkel berechnet wird,
- eine zweite Kenngröße γ berechnet wird, die eine Abweichung zwischen dem aktuellen Wert der Winkelvariablen R_M und dem vorläufigen Wert R₂ angibt und so ein Maß für eine langreichweitige Störung des Erdmagnetfelds bildet, und
- der neue Wert für den Fahrtrichtungswinkel R als Funktion der Winkelvariablen R_M, des vorläufigen Wertes R₂ und der Kenngrößen β und γ derart berechnet wird, daß R für kleine Werte der beiden Kenngrößen näher bei R_M und für große Werte der beiden Kenngrößen näher bei R₂ liegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Änderungswinkel ΔR_G gleich null gesetzt wird, wenn der ermittelte Wert dieses Änderungswinkels dem Betrage nach kleiner ist als ein vorgegebener Wert.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kenngröße β Störungen mit einer Reichweite in der Größenordnung von einigen Metern und die Kenngröße γ Störungen mit einer Reichweite in der Größenordnung von einigen 10 bis einigen 100 Metern repräsentiert.

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Kenngröße β den Absolutbetrag der Differenz zwischen ΔR_G und ΔR_M angibt und die zweite Kenngröße γ den Absolutbetrag der Differenz zwischen R_M und R₂ angibt.

5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß aus den Kenngrößen β und γ ein Koeffizient K berechnet wird, dessen Wert bei zunehmenden Werten von β und γ abnimmt, und daß der Fahrtrichtungswinkel R als Funktion von R_M, R₂ und K derart berechnet wird, daß R bei kleinen Werten von K näher bei R₂ und bei großen Werten von K näher bei R_M liegt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Berechnung des Fahrtrichtungswinkels R gemäß der folgenden Gleichung erfolgt: R = K × (R_M - R₂) + R₂.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Koeffizient K gemäß folgender Gleichung berechnet wird:

8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Berechnung des Fahrtrichtungswinkels R in vorgegebenen Zeitintervallen einer Größe ΔT erfolgt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die in den vorgegebenen Zeitintervallen der Größe ΔT berechneten Werte des Fahrtrichtungswinkels R unter Berücksichtigung der in diesen Zeitintervallen von dem Fahrzeug zurückgelegten Wegstrecken derart umgewandelt werden, daß sie auf entsprechende Wegintervalle einer bestimmten Größe bezogen sind.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe ΔT der Zeitintervalle 100 ms beträgt und die bestimmte Größe der Wegintervalle einer halben Drehung eines Reifens des Fahrzeugs entspricht.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, gekennzeichnet durch die Verwendung einer Einrichtung zur Erfassung eines Stillstands des Fahrzeugs und eine Einrichtung zur Korrektur eines Driftfehlers des Kreiselsensors (3) bei stillstehendem Fahrzeug.