DE4110374C2

DE4110374C2 - Vorrichtung zur Bewegungssteuerung eines bewegten Körpers

Info

Publication number: DE4110374C2
Application number: DE4110374A
Authority: DE
Inventors: Kousaku Shimada; Yozo Nakamura; Shigeru Horikoshi; Hayato Sugawara; Tatsuhiko Monji
Original assignee: Hitachi Automotive Engineering Co Ltd; Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Automotive Systems Engineering Co Ltd
Priority date: 1990-03-29
Filing date: 1991-03-28
Publication date: 1995-06-08
Anticipated expiration: 2011-03-29
Also published as: KR0159110B1; KR910016536A; JPH03279867A; DE4110374A1; US5247466A; JPH0833408B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bewegungs steuerung eines bewegten Körpers, z. B. eines Kraftfahrzeugs, einer Videokamera od. dgl., die mindestens zwei Beschleuni gungssensoren sowie eine elektrische bzw. elektronische Ver arbeitungseinheit für die Ausgangssignale dieser Beschleuni gungssensoren aufweist.

Es sind bereits mehrere Verfahren zur Erfassung der Winkel geschwindigkeit eines bewegten Körpers bekannt, bei denen verschiedenartige Sensoren eingesetzt werden. So verwendet ein Verfahren nach der JP 64-16912 A ein Vibrations-Gyroskop, ein Verfahren nach der JP 64-1906 A ein Lichtleitfaser- Gyroskop, ein Verfahren nach der JP 63-243763 A einen Gasgeschwindigkeitssensor und ein Verfahren nach der JP 1-127963 A einen Ultraschallsensor. Ferner ist aus JP 63-218866 A ein Verfahren zum Erfassen der Giergeschwindigkeit eines Fahrzeugs bekannt, bei dem die Umfangsgeschwindigkeiten der einzelnen Fahrzeugräder bzw. deren Drehzahlen gesondert erfaßt und daraus die Giergeschwindigkeit ermittelt wird. Die Beschaffenheit der Fahrbahn und andere Einflüsse können jedoch die Genauigkeit der so bestimmten Gier geschwindigkeit des Fahrzeuges beeinträchtigen.

Aus der WO-87/02466 A1 ist eine Vorrichtung zur Bestimmung der Winkelgeschwindigkeit und der linearen Beschleunigung eines bewegten Körpers bekannt, die über eine Einrichtung zur Korrektur von Fehlern verfügt, welche durch ungenaue Aus richtung zweier Beschleunigungssensoren verursacht werden. Die beiden Beschleunigungssensoren sind so auf einer Basis montiert, daß ihre Erfassungsrichtungen parallel zu einer gemeinsamen Achse verlaufen und daß sie jeweils in einer Vibrationsachse schwingen, die zu dieser gemeinsamen Erfas sungsachse senkrecht verläuft. Beide Beschleunigungssensoren werden von einem Signalgenerator mit vorbestimmter Frequenz über Antriebe in Schwingung versetzt und aus ihren Ausgangs signalen wird ein Coriolissignal erzeugt, welches die Coriolisbeschleunigung längs der Erfassungsachse bestimmt, die sich aus der Bewegung der Beschleunigungssensoren längs der Vibrationsachse und der Rotation des bewegten Körpers um eine zur Vibrationsachse und zur Erfassungsachse senkrechte Achse zusammensetzt. Wie die eingangs genannte Meßvorrichtung mit einem Vibrations-Groskop ist auch diese bekannte Vorrichtung wegen der Notwendigkeit der Schwingungserzeugung technisch relativ aufwendig und wegen ihrer Anfälligkeit gegenüber Stoßbelastungen nur für besondere Anwendungsfälle geeignet.

Aus der DE 35 45 715 A1 ist eine Einrichtung zur Vortriebs regelung eines Kraftfahrzeugs bekannt, bei der zur Einhaltung stabiler Fahrzustände die Größe des Lenkwinkels und die Fahrgeschwindigkeit gemessen werden. Mit Hilfe einer Rechen einheit wird ein Sollwert bzw. ein Toleranzbereich für eine Querbeschleunigung bzw. eine Giergeschwindigkeit bestimmt und die Differenz zwischen der gemessenen Querbeschleunigung und einem Sollwert wird als Steuersignal für die Radbremsen und/oder ein Leistungsstellglied der Brennkraftmaschine verwendet.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Bewe gungssteuerung eines bewegten Körpers, z. B. eines Kraft fahrzeugs, zu schaffen, die bei technisch einfachem und robusten Aufbau eine ausreichend genaue Bestimmung der Win kelgeschwindigkeit des bewegten Körpers sowie eine daraus abgeleitete Beeinflussung der Körperbewegung ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Er findung anhand der Zeichnung im einzelnen beschrieben; es zeigt:

Fig. 1 schematisch zwei an einem bewegten Körper ange ordnete Beschleunigungssensoren;

Fig. 2, 3 Vektordiagramme der Beschleunigungsvektoren der Ausführung nach Fig. 1;

Fig. 4 eine graphische Darstellung der von einem herkömmlichen Detektor und von einer erfindungsgemäßen Vorrichtung erfaßten Winkelgeschwindigkeiten der Beschleunigungen;

Fig. 5 ein Blockschaltbild eines Winkelgeschwindigkeitssensors;

Fig. 6 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Winkelge schwindigkeit und der zu messenden Be schleunigung;

Fig. 7 eine graphische Darstellung von Beschleunigungswerten der Sensoren und der Beschleunigungsdifferenz;

Fig. 8 ein Blockschaltbild einer Signal verarbeitungsschaltung der Einrichtung zur Erfassung der Winkelgeschwindigkeit;

Fig. 9 ein Flußdiagramm den Funktionsablauf zum Setzen eines Verschiebungswertes;

Fig. 10 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Beschleunigungsdifferenz und der Winkelgeschwindigkeit;

Fig. 11A bis 11C schematisch mehrere Anordnungen der Beschleunigungssensoren in einem Kraftfahrzeug;

Fig. 12 die Anordnung der Beschleunigungssensoren in einer Steuervorrichtung eines Kraftfahrzeugs;

Fig. 13A eine Draufsicht der Steuervorrichtung nach Fig. 12;

Fig. 13B einen Querschnitt entlang der Linie 13B-13B von Fig. 13A; und

Fig. 14 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der Steuervorrichtung für ein Kraftfahrzeug.

In Fig. 1 ist ein bewegter Körper 1 gezeigt, dessen Win kelgeschwindigkeit erfaßt werden soll. Der Körper 1 kann wenigstens in einer x-y-Ebene bewegt werden, wobei die Bewegung eine zur x-y-Ebene parallele Bewegung und eine Drehung um eine zur x-y-Ebene senkrechte Achse z umfaßt. Der bewegte Körper 1 wird durch eine innere oder durch eine äußere Energie bewegt. Beispiele für bewegte Körper 1 sind Kraftfahrzeuge, Flugzeuge, Videokameras od. dgl. Der in Fig. 1 gezeigte bewegte Körper besitzt eine rechteckige Gestalt; er kann beliebig andere Formen haben.

Eine Vorrichtung zur Erfassung der Winkelgeschwindigkeit des bewegten Körpers 1 umfaßt zwei Beschleunigungssensoren 2, die entsprechende Erfassungsrichtungen (I), (II) haben und am bewegten Körper 1 an Befestigungspunkten A bzw. B befe stigt sind. Unter der Annahme, daß der Schwerpunkt 4 des be wegten Körpers 1 das Drehzentrum des bewegten Körpers 1 darstellt, ist der Befestigungspunkt A des ersten Be schleunigungssensors 2 in einem Radius R_a rechts vom Schwerpunkt 4 angeordnet, während der Befestigungspunkt B des zweiten Beschleunigungssensors 3 in einem Radius Rb links vom Schwerpunkt 4 angeordnet ist. Die Befestigungs punkte A und B bilden zur x-Achse die Winkel Θa und Θb. Die Erfassungsrichtungen (I) und (II) der Beschleuni gungssensoren 2 bzw. 3 sind jeweils parallel zur x-Achse.

Die von den Beschleunigungssensoren 2 und 3 erfaßte Be schleunigung des bewegten Körpers 1 stellt die x-Kompo nente der Beschleunigung einer zur x-y-Ebene parallelen Bewegung des bewegten Körpers 1 und die x-Komponente der Beschleunigung aufgrund einer durch die Drehbewegung des bewegten Körpers 1 verursachten Zentrifugalkraft dar. Die von den Beschleunigungssensoren 2, 3 erfaßten Beschleunigungen G_sa, G_sb werden durch die folgenden Gleichungen bestimmt:

G_sa = G_la + G_ya · cos Θa (1)

G_sb = G_lb + G_yb · cos Θb (2)

wobei gilt:
G_la Beschleunigung der Parallelbewegung im Punkt A;
G_lb Beschleunigung der Parallelbewegung im Punkt B;
G_ya Beschleunigung auf Grund der Drehbewegung (Zentrifugalkraft) im Punkt A;
G_yb Beschleunigung auf Grund der Drehbewegung (Zentrifugalkraft) im Punkt B;
G_sa Beschleunigung im Punkt A, die vom Sensor 2 tatsächlich erfaßt wird; und
G_sb Beschleunigung im Punkt B, die vom Sensor 3 tatsächlich erfaßt wird.

Die Gleichungen (1) und (2) werden zum leichteren Ver ständnis in den Fig. 2 und 3 erläutert. Hierbei gilt für die Beschleunigung G_la bzw. G_lb der Parallelbewegung die folgende Beziehung:

G_la = G_lb (3)

Eine Differenz ΔG zwischen der tatsächlich erfaßten Be schleunigung G_sa und der tatsächlich erfaßten Beschleuni gung G_sb an den Punkten A bzw. B ist unter Verwendung der Gleichungen (1), (2) und (3) folgendermaßen gegeben:

ΔG = G_sa - G_sb = G_ya · cos Θa - G_yb · cos Θb (4)

Wenn sich der bewegte Körper dreht, bestimmt sich die Zentri fugalkraft aus (Masse) × (Radius) × (Winkelgeschwindigkeit)² und die Beschleunigung aufgrund der Drehung durch (Radius) × (Winkelgeschwindigkeit)². Daher kann die Drehbeschleunigung an den Punkten A bzw. B folgendermaßen ausgedrückt werden:

G_ya = R_a · ω² (5)

G_yb = R_b · ω² (6)

Wenn die Gleichungen (5) und (6) in Gleichung (4) einge setzt werden, wird Gleichung (4) folgendermaßen umge formt:

ΔG = ω² · (R_a · cos Θa - R_b · cos Θb) (7)

Beide Seiten der Gleichung (7) sind positiv. Aus Glei chung (7) ergibt sich die Winkelgeschwindigkeit ω folgen dermaßen.

ω = [ΔG/(R_a · cos Θa - R_b · cos Θb)]^1/2 (8)

Ein Abstand R auf der x-Achse zwischen dem Punkt A und dem Punkt B ist folgendermaßen gegeben:

R = (R_a · cos Θa - R_b · cos Θb) (9)

wobei die Gleichung (8) folgendermaßen ausgedrückt werden kann:

ω = (ΔG/R)^1/2 (10)

In den Gleichungen (8) oder (10) sind R_a, R_b, Θa und Θb feste Werte, so daß auch R ein fester Wert ist, der eine Lage-Beziehung der am bewegten Körper (1) angebrachten beiden Beschleunigungssensoren 2, 3 angibt.

Eine analoge oder digitale Verarbeitungseinrichtung berechnet die Winkelgeschwindigkeit ω anhand der Be schleunigungsdifferenz ΔG und der räumlichen Beziehung R gemäß Gleichung (8) oder (10).

Unter der Voraussetzung, daß in Gleichung (9) der Wert R nicht Null sein sollte, können für Θa, Θb, R_a und R_b irgendwelche Werte verwendet werden. Es ist jedoch vor teilhaft, wenn Θa=0° und Θb=180° sind, was bedeutet, daß der erste und der zweite Beschleunigungssensor 2 bzw. 3 auf einer Linie angeordnet sind und der Abstand R maximal ist. Wenn Θb beispielsweise nahe bei Θa liegt, wird ΔG klein, so daß die Werte von ΔG weniger gut unterschieden werden können. Es ist je doch auch in einem solchen Fall möglich, die Winkelge schwindigkeit zu erfassen.

Wenn Θa≠Θb ist, kann die Winkelgeschwindigkeit ω selbst dann erfaßt werden, wenn R_a=R_b ist.

In Fig. 4 ist auf der Abszisse die Zeit aufgetragen, wäh rend auf der Ordinate die Beschleunigung und die Winkel geschwindigkeit aufgetragen sind. Als Vergleichsbeispiel wird ein herkömmliches optisches Gyroskop verwendet, das die Winkelgeschwindigkeit direkt erfaßt. Der Vergleich der vom optischen Gyroskop erfaßten Winkelgeschwindigkeit mit der erfindungsgemäß erfaßten Winkelgeschwindigkeit ergibt, daß beide Winkelgeschwindigkeiten ähnliche Werte besitzen.

Aus Fig. 4 ist ferner ersichtlich, daß die er faßten Beschleunigungen G_sa und G_sb eine kleine Verände rungskomponente besitzen, welche die Winkelgeschwindigkeit beeinflußt und Veränderungskomponenten der Winkelge schwindigkeit erzeugt. Es ist wünschenswert, diese Veränderungskomponenten zu beseitigen, was durch ein Fil ter, etwa ein Tiefpaßfilter, erreicht werden kann. Aus dem Bereich 5 der in Fig. 4 gezeigten Beschleunigungs daten ist ersichtlich, daß sich die Beschleunigung der zur x-y-Ebene parallelen Bewegung schnell ändert, ohne daß sich auch die Differenz ΔG zwischen G_sa und G_sb wesentlich ändert.

Die Verarbeitungseinrichtung nach Fig. 5 umfaßt Signalverarbeitungs schaltungen 10, 11 und 12 und eine CPU 13, ein ROM 14 und ein RAM 15. Die CPU 13, das ROM 14 und das RAM 15 bilden einen Computer, wobei die CPU 13 die Rechenoperationen der Gleichungen (8) oder (10) ausführt und die Signalverarbeitungsschaltungen 10 bis 12 steuert. Ein Programm oder Betriebssystem (OS) zum Ausführen der Operationen ist im ROM 14 gespeichert. Das RAM 15 dient zum Speichern von Arbeitsdaten.

Die CPU 13 ändert die Zeitkonstanten für die Filter der Signalverarbeitungs schaltungen 10 und 11 und steuert eine Nullpunktverschiebung der Beschleunigungsdifferenz ΔG mittels der Signalverarbeitungsschaltung 12.

Die Signalverarbeitungsschaltung 10, 11 und 12 kann vom Analogtyp oder vom Digitaltyp sein, wobei die Schaltung 10 Ausgangssignale des Beschleuni gungssensors 3 filtert und verstärkt und die Schaltung 11 Ausgangssignale des Beschleunigungssensors 2 filtert und verstärkt. Die Signalverarbeitungsschaltung 12 empfängt die Ausgaben von den Beschleunigungssensoren 2 und 3, filtert beide Ausgaben, erstellt eine Differenz zwischen ihnen und verstärkt diese. Ferner besitzt die Schaltung 12 die Funktion, die Verschiebung der ausgegebenen Diffe renz einzustellen.

Durch die von den Signalverarbeitungsschaltungen 10, 11 und 12 ausgeführte Tiefpaß-Filterung werden kleine Schwankungen von G_sa und G_sb gemäß Fig. 4 beseitigt. In einem analogen Filter wird die CR-Zeitkonstante geändert, z. B. durch Verstellen eines Widerstands.

Die Verstärkung der schwachen Ausgangssignale der Beschleunigungssensoren 2 und 3 wird mit Bezug auf die Fig. 6 und 7 erläutert.

In Fig. 6 ist eine geradlinige Kennlinie der Ausgangsspannung über der in jedem Beschleunigungssensor 2, 3 zu erfassenden Beschleunigung g gezeigt. Die Ausgangssignale der Beschleunigungssensoren 2 und 3 haben eine bestimmte Ausgangsspannung V₂, wenn die Be schleunigung g Null ist. Der Sensor besitzt wegen der Gerichtetheit der Beschleunigung eine Polarität. Die vom Sensor maximal erfaßbare Beschleunigung g ent spricht einer Ausgangsspannung V₁, während die untere Grenze der vom Sensor erfaßbaren Beschleunigung g einer Ausgangsspannung V₃ entspricht.

Die Ausgangsspannungen V₁, V₂ und V₃ jedes Be schleunigungssensors 2, 3 liegen in einem Bereich von einigen Millivolt (mV) bis zu einigen Volt (V), wobei Ausgangssignale von mehreren Volt nur geringfügig und von einigen Millivolt erheblich verstärkt werden. Die Signalverarbeitungsschaltung 12 muß eine Verstärkungsfunktion aufweisen, weil sie aus den Ausgangssignalen der Beschleunigungssensoren 2 und 3 die Beschleunigungsdifferenz ΔG bildet, welche einen kleinen Wert haben kann. Wie z. B. aus Fig. 7 ersichtlich, sind die Werte ΔG₂ und ΔG₃ im Vergleich zu den Beschleunigungen G_sb und G_sa sehr klein, während die Werte ΔG₁ und ΔG₄ größer sind. Daher ist eine Verstärkung der Differenz ΔG wünschenswert.

Die Einstellung einer Kennlinien-Versetzung (Off-set) durch die Signalverarbeitungsschaltung 12 wird ausgeführt, um Änderungen der Meßgenauigkeit jedes Beschleunigungssensors 2, 3 im Laufe des Betriebszeitraumes zu korrigieren. Wenn die Kennlinien der Beschleunigungssensoren 2, 3 gemäß Fig. 6 miteinander übereinstimmen, entsteht kein Problem. Manchmal stimmen diese Kennlinien jedoch nicht überein.

Falls die Beschleunigungssensoren 2 und 3 in einem Kraft fahrzeug angebracht sind, ändern sich ihre Kennlinien während der Lebens dauer des Kraftfahrzeugs von beispielsweise zehn Jahren, weil die Beschleunigungssensoren ständig starken Vibrationen un terworfen sind.

Die Signalverarbeitungsschaltung 12 stellt eine Beschleu nigungsdifferenz ΔG entsprechend einem Befehl der CPU 13 auf einen konstanten Off-set-Wert ein, und zwar vorzugsweise während eines Stillstands des Kraftfahrzeugs.

Bei dem obigen Ausführungsbeispiel wird die Winkelgeschwindigkeit ω des bewegten Körpers 1 aus den erfaßten Beschleunigungen an den Punkten A und B gemäß Gleichung (8) oder (10) berechnet. Ferner werden hochfrequente Änderungen der Ausgangssignale der Beschleunigungssensoren beseitigt und eine Kennlinien-Versetzung wird konstant gehalten.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 8 bis 10 enthält eine Verarbeitungseinrichtung analoge Signalverarbeitungsschaltungen 10, 11 und 12, die ähnlich wie die in Fig. 5 gezeigten Schaltungen aufgebaut sind. Die Schaltung 12 unterscheidet sich jedoch von der in Fig. 5 gezeigten Schaltung dadurch, daß die Ausgangssignale der Beschleuni gungssensoren 2, 3 nicht direkt, sondern über die Si gnalverarbeitungsschaltungen 10 und 11 in die Schaltung 12 eingegeben werden. Dieser Aufbau besitzt den Vorteil, daß die Signalverarbeitungsschaltung 12 keine Filterungs funktion enthalten muß.

In Fig. 8 umfaßt die Signalverarbeitungsschaltung 10 ein digitales Potentiometer 11, ein CR-Filter 12 bzw. 13 und einen Operationsverstärker 14. Die Signalverarbeitungs schaltung 11 besitzt den gleichen Aufbau wie die Signal verarbeitungsschaltung 10, d. h. sie umfaßt ein digitales Potentiometer 15, ein CR-Filter 16 bzw. 17 und einen Ope rationsverstärker 18. Die Signalverarbeitungsschaltung 12 umfaßt Widerstände 19 und 20, die als Elemente für einen Potentialteiler dienen, ein digitales Potentiometer 21, Eingangswiderstände 22, 23 und 24, einen Differenzver stärker 25 und einen Rückkopplungswiderstand 26.

Die Widerstandswerte R₁, R₂ und R₃ der digitalen Poten tiometer 11, 15 bzw. 21 können durch die CPU 13 geändert werden. Die Potentiometer 11 und 15 werden zur Anpassung des Widerstandsteils des CR-Filters verwendet, während das Potentiometer 21 dazu verwendet wird, den Versetzungswert konstant zu halten.

Die Potentiometer 11, 15 und 21 werden jeweils auf die gleiche Weise eingestellt: Wenn ein INC- (Inkrementierungs-)Anschluß auf hohen Pegel gesetzt und ein U/D-Anschluß auf D gesetzt werden, wird der Wider stand des Potentiometers verkleinert. Wenn andererseits der INC-Anschluß auf hohen Pegel und der U/D-Anschluß auf U gesetzt werden, wird der Widerstand des Potentiometers erhöht. Die Befehle H, U und D werden von der CPU 13 aus gegeben.

Die Zeitkonstante des Filters wird durch die Potentiome ter 11 und 15 geändert. Wenn ein Kraftfahrzeug mit den Beschleunigungssensoren 2 und 3 bei spielsweise auf unebener Straße fährt, weisen die Ausgangs signale der Beschleunigungssensoren 2 und 3 aufgrund von Vi brationen des Kraftfahrzeugs ein aus verschiedenen Frequenzen bestehendes Rauschen auf. Von der CPU 13 wird die Filter charakteristik geändert, um die Rauschkomponenten zu beseitigen. Beispielsweise wird die Zeitkon stante vergrößert, um den Einfluß der vom Kraftfahrzeug verursachten Vibrationen zu beseitigen.

Die Ausgangssignale der Signalverarbeitungsschaltungen 10 und 11 werden ohne das Rauschen direkt in die CPU 13 und in die Signalverarbeitungsschaltung 12 eingegeben, die die Differenz zwischen ihnen bil det und diese verstärkt. Aus der verstärkten Differenz wird in der CPU 13 die Winkelgeschwindigkeit ω berechnet. Die Schaltung 12 steuert den Off-set bzw. Ver setzungswert auf einen konstanten Wert, so daß das Er gebnis durch Veränderungen in der Meßgenauigkeit der Be schleunigungssensoren 2 und 3 nicht negativ beeinflußt wird.

Die Steuerung der Versetzung auf einen konstanten Wert erfolgt nach dem in Fig. 9 dargestellten Flußdiagramm in der CPU 13.

Die Verarbeitung wird nach einer Unterbrechung begonnen. In einem Schritt 30 ein Kanal F auf hohen Pegel gesetzt. Anschließend wird in einem Schritt 31 geprüft, ob ein Anlasser betätigt wird. Wenn der An lasser nicht betätigt wird, wird in einem Schritt 32 ge prüft, ob die Fahrzeuggeschwindigkeit den Wert 0 besitzt. Wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit nicht 0 ist, kehrt die Verarbeitung zum Ausgangspunkt zurück, weil ein bei be wegtem Fahrzeug ermittelter Wert nicht als Anfangswert verwendet werden kann. Wenn der Anlasser in Betrieb ist und die Fahrzeuggeschwindigkeit den Wert 0 besitzt, wird eine verstärkte Differenzausgabe V_aus der Signalverarbei tungsschaltung 12 im Schritt 33 in die CPU 13 eingelesen. Im Schritt 34 wird geprüft, ob die Differenzausgabe V_aus größer als ein vorgegebener Wert V₀₁ ist. Wenn die Diffe renzausgabe V_aus größer als der vorgegebene Wert V₀₁ ist, wird der Kanal E im Schritt 36 auf niedrigen Pegel ge setzt, ferner wird der Kanal F im Schritt 38 ebenfalls auf niedrigen Pegel gesetzt, wodurch der Widerstand des Potentiometers 21 verkleinert wird. Wenn im Schritt 35 festgestellt wird, daß die verstärkte Differenzausgabe V_aus kleiner als ein vorgegebener Wert V₀₂ ist, der wie derum kleiner als der Wert V₀₁ ist (V₀₁<V₀₂), wird der Widerstand des Potentiometers 21 erhöht, indem der Kanal E im Schritt 37 auf hohen Pegel und der Kanal F im Schritt 39 auf niedrigen Pegel gesetzt werden. Wenn im Schritt 35 festgestellt wird, daß die verstärkte Diffe renzausgabe V_aus nicht kleiner als der vorgegebene Wert V₀₂ ist, d. h., wenn gilt, daß V₀₂ V_aus V₀₁, wird ange nommen, daß ein geeigneter Versetzungswert vorliegt. Die Versetzungswertsteuerung ist damit abgeschlossen.

Eine Abnahme des Widerstandes des Potentiometers 21 in den Schritten 36 und 38 oder eine Zunahme des Widerstan des in den Schritten 37 und 39 wird zu jedem Unterbre chungszeitpunkt, beispielsweise nach jeweils 10 ms, wie derholt, bis die Bedingung V₀₂ V_aus V₀₁ erfüllt ist. In diesem Fall nimmt U/D zwei Werte, "niedrig" und "hoch", an. Damit U/D mit Fig. 8 übereinstimmt, bedeutet "U" niedrigen Pegel und "D" hohen Pegel.

Wenn V₀₁-V₀₂ = ε (zulässiger Fehler) ist, gibt der Wert von ε die Größe des Fehlers in der verstärkten Differenz ausgabe an. Das heißt, je größer der Wert ε, desto größer der Fehler.

Die Gleichung (8) oder (10) kann entweder direkt berechnet werden, oder es wird eine Beziehung zwischen der Beschleunigungsdifferenz ΔG und einer entsprechenden Winkelgeschwindigkeit ω in einer Tabelle ge speichert, wie sie in Fig. 10 gezeigt ist, so daß eine entsprechend Winkelgeschwindigkeit ω_i aus ΔG_i erhalten werden kann.

In den Fig. 11A, 11B und 11C sind Beispiele für die Positionierung von je zwei Beschleunigungssensoren 2, 3 in einem Kraftfahrzeug gezeigt. In Fig. 11A sind Beschleunigungssensoren A₁ und B₁ in einem vorderen bzw. einem hinteren Bereich des Kraftfahrzeugs angebracht. Die Beschleunigungssensoren A₂ und B₂ sind im Bodenbereich bzw. im Dachbereich des Kraftfahrzeugs angebracht. Jedes Paar von Beschleunigungssensoren A₁ und B₁ bzw. A₂ und B₂ kann eine Nickschwingungsgeschwindigkeit des Kraftfahr zeugs erfassen. Unter der Annahme, daß eine Vor wärts/Rückwärts-Richtung des Kraftfahrzeugs die x-Rich tung in einer x-y-Ebene parallel zum Boden ist, bedeutet die Nickschwingung eine Drehung der Karosserie um die zur x-Achse senkrechte y-Achse.

Zur Berechnung der Nickschwingungsgeschwindigkeit wird die Differenz zwischen den Ausgangssignalen der Beschleunigungssensoren A₁ und B₁ und aufgrund dieser Differenz und dem Abstand zwischen den Beschleunigungssensoren A₁ und B₁ wird die Nickschwingungsgeschwindigkeit berechnet. Auf ähnliche Weise kann die Nickschwin gungsgeschwindigkeit auch unter Verwendung einer Ausgabe differenz der Beschleunigungssensoren A₂ und B₂ und dem räumlichen Abstand zwischen den Beschleunigungssensoren A₂ und B₂ gemäß Gleichung (8) oder (10) erhalten werden.

In Fig. 11B ist ein Beispiel für die Anordnung eines Paars von Beschleunigungssensoren A₁ und B₁ und eines weiteren Paars von Beschleunigungssensoren A₃ und B₃ ge zeigt, mit der eine Giergeschwindigkeit des Kraftfahr zeugs erhalten wird. Jedes Paar von Sensoren A₁ und B₁ bzw. A₃ und B₃ kann eine Giergeschwindigkeit erfassen. In Fig. 11B sind die Sensoren A₃ und B₃ an den jeweiligen Seiten des Kraftfahrzeugs angebracht. Die Giergeschwin digkeit bedeutet eine Winkelgeschwindigkeit um die zur x- y-Ebene senkrechte z-Achse, wobei die x-y-Ebene wie oben parallel zum Boden orientiert ist. Das Verfahren zur Be rechnung der Giergeschwindigkeit gleicht dem Verfahren zur Gewinnung der Nickschwingungsgeschwin digkeit.

In Fig. 11C ist ein Beispiel für die Anordnung von Be schleunigungssensoren zur Gewinnung einer Rollgeschwin digkeit gezeigt. Die Beschleunigungssensoren A₂ und B₂ sind ähnlich wie die Sensoren A₂ und B₂ in Fig. 11A im Bodenbereich und im Dachbereich des Kraftfahrzeugs angeordnet, so daß die Erfas sungsrichtung für die Beschleunigung vertikal orientiert ist. Ein weiteres Paar von Beschleunigungssensoren A₃ und B₃ ist ähnlich wie das Paar A₃ und B₃ in Fig. 11B an den jeweiligen Seiten des Kraft fahrzeugs angebracht, so daß die Erfassungsrichtungen gleich sind. Jedes Paar von Beschleunigungssensoren kann eine Rollgeschwin digkeit erfassen. Die Rollgeschwindigkeit ist eine Win kelgeschwindigkeit um die x-Achse, die parallel zur Fahrtrichtung des Kraftfahrzeugs orientiert ist. Die Re chenoperation zur Gewinnung der Winkelgeschwindigkeit, d. h. die Rollgeschwindigkeit um die x-Achse wird gemäß Gleichung (8) oder (10) ausgeführt.

In einem Kraftfahrzeug sollten die Beschleunigungssenso ren nicht an bewegten Teilen wie etwa an Türen angebracht werden, weil die Erfassungsrichtung aufgrund zeitverzö gerter Änderungen und einer Änderung der Anbringungsposi tionen der Beschleunigungssensoren nicht konstant wäre. Es ist wünschenswert, die Beschleunigungssensoren am Rah men des Kraftfahrzeugs anzubringen.

Bei dem Beispiel nach Fig. 12 sind die Beschleu nigungssensoren 2 und 3 an einer Steuervorrichtung eines Kraftfahrzeugs 1 angebracht, welche z. B. die Kraftstoffdosierung, die Zündung, die Fahrgeschwindigkeit od. dgl. steuert. Die Steuervorrichtung 40 enthält eine (gedruckte) Leiterplatte 41, die horizontal an einem Teil des Kraftfahrzeugs, z. B. im Frontabschnitt angebracht ist. Nach Fig. 13a und 13b umfaßt die Steuerung 40 die Leiter platte 41, ein die Leiterplatte 41 umgebendes Außenge häuse 40A, das die Leiterplatte vor äußeren mechanischen Einwirkungen schützt, und eine Verbindung für eine äußere Schnittstelle. Die Leiterplatte 41 umfaßt verschiedene Arten von integrierten Schaltungen, etwa LSI-Elementen, die darauf angebracht sind. Die Beschleunigungssensoren 2 und 3 sind auf der Leiterplatte so angebracht, daß der Abstand zwischen den Sensoren 2 und 3 nicht den größtmöglichen Wert besitzt.

In dieser Anordnung der Beschleunigungssensoren 2 und 3 liegt der Winkel Θa im Vergleich zu demjenigen in Fig. 1 verhältnismäßig nahe beim Winkel Θb. Daher ist eine Aus gabedifferenz zwischen den Beschleunigungssensoren 2 und 3 zur Berechnung der Winkelgeschwindigkeit klein, so daß vorzugsweise ein Verstärker mittel vorgesehen wird.

Die Giergeschwindigkeit wird in Antiblockier-Bremskraftsteuerungen oder in Vierradlenkungs-Steuerungen verwendet. Die Anti blockier-Bremskraftsteuerung verhindert ein Blockieren der Räder und unterdrückt das Auftreten eines vom Fahrer nicht beabsichtigten Gierens, indem die Steuerung auf eine erfaßte Giergeschwindigkeit zurückgreift. Die Vor richtung zur Vierradlenkungs-Steuerung steuert die Hin terräder eines Kraftfahrzeugs, derart, daß eine erfaßte Giergeschwindigkeit einen Zielwert erreicht. Die Steuer vorrichtung nach Fig. 14 umfaßt einen Steuerabschnitt 43, der einen Steuerungseingabe-Berechnungsteil 44 und einen Giergeschwindigkeits-Berechnungsteil 45 aufweist, und ein Betätigungselement 46. In dieser Steuer vorrichtung geben die an einer Fahrzeugkarosserie 47 angebrachten (nicht gezeigten) Beschleunigungssensoren Beschleunigungswerte G_sa und G_sb aus, aus denen im Berechnungsteil 45 die Giergeschwindigkeit der Fahrzeug karosserie berechnet wird. Die Giergeschwindigkeit wird mit einem Sollwert verglichen und aus der Abweichung berechnet der Berechnungsteil 44 ein Steuersignal für das Betätigungselement 46 der Antiblockier vorrichtung, das die Fahrzeugbremsen entsprechtend betätigt. Bei einer Vierradlenkungs-Steuerungsvorrichtung werden die Hinterräder entsprechend eingeschlagen. Dieser Vor gang wird wiederholt, bis die Giergeschwindigkeit die Ziel-Giergeschwindigkeit erreicht.

Die erfindungsgemäße Anordnung der Beschleunigungssenso ren 2 und 3 an einem bewegten Körper 1 ermöglicht die Er fassung einer Beschleunigung des bewegten Körpers 1 in einer bestimmten Richtung, die von der Richtung der Win kelgeschwindigkeit verschieden ist.

Dies wird mit Bezug auf Fig. 1 erläutert. Hierbei wird die Beschleunigung einer zur x-y-Ebene parallelen Bewe gung des bewegten Körpers 1 in dessen Schwerpunkt mit ho her Genauigkeit erhalten. Die Beschleunigung im Schwer punkt werde durch G_c dargestellt. Dann ist G_c folgender maßen gegeben:

G_c = G_la = G_lb (11)

Dann kann diese Beschleunigung durch Umformung von Glei chung (11) unter Verwendung von Gleichung (1) folgender maßen dargestellt werden:

G_c = G_sa - G_ya · cos Θa (12)

Hierbei ist G_ya = R_a·ω². Die Gleichung (12) kann unter Verwendung von Gleichung (4) und Gleichung (8) folgender maßen umgeformt werden:

G_c = G_sa - [(G_sa - G_sb) · R_a · cos Θ]/[R_a · cos Θa - R_b · cos Θb] (13)

Gleichung (13) kann folgendermaßen vereinfacht werden:

G_c = [R_a · G_sb · cos Θa - R_b · G_sb · cos Θb]/[R_a · cos Θa - R_b · cos Θb] (14)

Gemäß Gleichung (14) wird die Beschleunigung aufgrund der Zentrifugalkraft der Drehbewegung des bewegten Körpers aufgehoben, so daß im Schwerpunkt 4 eine parallele Be schleunigung erhalten wird.

Die obenerwähnten Signalverarbeitungsschaltungen sind von analoger Bauart, es können jedoch für den gleichen Zweck auch digitale Schaltungen verwendet werden. Für die Fil terelemente und Verstärker können ebenfalls digitale Fil ter und Verstärker verwendet werden.

Für den Computer kann ein digitaler Signalprozessor ver wendet werden.

Es kann eine Korrektur des Versetzungswertes der Beschleunigungsdifferenz, d. h. eine Nullpunkteinstel lung der Beschleunigungsdifferenz, oder auch eine Nullpunkteinstellung der Ausgangssignale jedes Beschleunigungssensors ausgeführt werden.

Bewegte Körper können Kraftfahrzeuge und neben weiteren Beispielen Videokameras sein, die vom Benutzer manuell bewegt und dabei durch die sie tragende Hand geschüttelt werden. Die Winkelgeschwindigkeit der Schüttel bewegung der Videokamera wird erfaßt und kompensiert. Auch wenn die Beschleunigungssensoren in etwas unterschiedlichen Richtungen angeordnet sind, kann eine Winkelgeschwindigkeit erfaßt werden.

Die erfaßte Winkelgeschwindigkeit kann auch bei einer Traktionssteuerung, die von einer Antiblockier-Brems kraftsteuerung verschieden ist, und für eine Vierradlen kungs-Steuerung verwendet werden.

Mittels der wenigstens zwei Beschleunigungssen soren an dem bewegten Körperwird eine parallele Beschleunigung bei einer zum Boden parallelen Bewegung des bewegten Körpers gemessen, wobei die Bewegung eine Drehbewegung und eine Translationsbewe gung enthält. Ferner kann eine Winkelgeschwindigkeit ohne Beeinflussung durch die translatorische Beschleunigung gemessen werden.

Die verwendeten Beschleunigungssensoren besitzen im Vergleich zu einem herkömmlichen optischen Gyroskop, ei nem Vibrationsgyroskop und dergleichen einen sehr einfa chen Aufbau (z. B. von kontaktloser Bauart), so daß die Vorrichtung zur Erfassung der Winkelgeschwindigkeit bei niedrigen Kosten hergestellt werden kann.

Der Beschleunigungssensor selbst besitzt kleinere Abmes sungen als andere Winkelgeschwindigkeitssensoren, so daß der Beschleunigungssensor leicht in einer Hand-Videoka mera eingebaut werden kann, um so die Winkelgeschwindig keit des Schüttelns der Kamera durch die Hand erfassen zu können.

Während eines Stillstands des zu messenden bewegten Kör pers wird die Nullpunkteinstellung der Vorrichtung zur Erfassung der Winkelgeschwindigkeit ausgeführt, so daß selbst bei einer Verschiebung, die durch eine Änderung der Verzögerungszeit der Beschleunigungssensoren verur sacht wird, eine genaue Winkelgeschwindigkeit gemessen werden kann, ohne von der Verschiebung beeinflußt zu werden.

Ferner wird eine Differenz der Ausgangsspannung der Be schleunigungssensoren verstärkt, wodurch die Genauigkeit der erfaßten Winkelgeschwindigkeit selbst dann erhöht werden kann, wenn die Vorrichtung bei einer A/D-Umsetzung eine begrenzte Auflösung besitzt.

Die Differenz zwischen den Ausgangssignalen der Beschleunigungs sensoren wird nach hardwaremäßiger oder softwaremäßige Filterung berechnet, so daß die berech nete Winkelgeschwindigkeit von einem Hochfrequenzrauschen nicht beeinflußt werden kann.

Indem die Zeitkonstante der Filter variabel gemacht wird, können Schwankungen der Ausgangssignale der Vorrichtung zur Erfassung der Winkelgeschwindigkeit unter schlechten Bedingungen, bei denen etwa die Vorrichtung in einem auf unebener Straße fahrenden Kraftfahrzeug ange bracht ist, unterdrückt werden.

Wenn ferner die Beschleunigungssensoren für die Vorrich tung zur Erfassung der Winkelgeschwindigkeit in einer in einem Kraftfahrzeug angebrachten Steuervorrichtung wie etwa einer Antiblockier-Bremskraftsteuerungsvorrichtung oder einer Vierradlenkungs-Steuerungsvorrichtung einge baut sind, können Kabelstränge weggelassen werden, ferner kann ein in die Vorrichtung eindringendes elektromagneti sches Rauschen verringert werden.

Wenn die Vorrichtung zur Erfassung der Winkelgeschwindig keit für eine Rückkopplungssteuerung des Gierens des Kraftfahrzeugs verwendet wird, kann die Sicherheit des Kraftfahrzeugs, d. h. die Lenksicherheit erhöht werden.

Wenn ferner die Beschleunigungssensoren in einer Ebene parallel zum Boden im vorderen und im hinteren Teil des Kraftfahrzeugs in einer Linie zueinan der oder zur Längsrichtung seitlich versetzt eingebaut werden, können sowohl die Schwerpunktsbeschleunigung in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung und die Querbeschleunigung des Kraftfahrzeugs sowie auch die Giergeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs gleichzeitig erfaßt werden.

Ferner kann anhand einer vorgegebenen Funktion der Ausgangssignale der beiden Beschleunigungssensoren die Be schleunigungskomponente in Richtung der Zentrifugalkraft kompensiert und die zum Boden parallele Beschleunigungskomponente des bewegten Körpers genau erfaßt werden.

Claims

1. Vorrichtung zur Bewegungssteuerung eines bewegten Körpers (1) mit

- einem ersten und einem zweiten Beschleunigungssensor (2, 3), die jeweils in der gleichen Erfassungsrichtung wirksam sind und am bewegten Körper (1) in einer Ebene des bewegten Körpers (1) in einem vorgegebenen Abstand (R) in der Erfassungsrichtung befestigt sind;
- einer Einrichtung (10 bis 15, 43) zum Berechnen der Winkelgeschwindigkeit (ω) des bewegten Körpers (1) um eine zu der Ebene des bewegten Körpers (1) senkrechte Achse gemäß der Beziehung ω = (ΔG/R)^1/2, wobei ΔG die Differenz zwischen den Ausgangssignalen der beiden Be schleunigungssensoren (2, 3) ist, zum Bestimmen der Abweichung der Winkelgeschwindigkeit (ω) von einem Sollwert der Winkelgeschwindigkeit des bewegten Körpers (1) und zum Erzeugen eines der Abweichung entsprechenden Steuersignals; und
- einem am bewegten Körper (1) angeordneten Betätigungs element (46), das aufgrund des Steuersignals ein Steuerelement so betätigt, daß sich die Winkelgeschwindigkeit (ω) des bewegten Körpers (1) dem Sollwert annähert.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Korrektureinrichtung zur Nullpunkt-Einstellung der Abweichung zwischen den Ausgangssignalen der beiden Beschleunigungssensoren (2, 3) vorgesehen ist, wobei die Nullpunkt-Einstellung während eines Stillstandes des be wegten Körpers (1) ausgeführt wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Einrichtung (10 bis 15; 43) Tiefpaßfilter (16, 17) für die Ausgangssignale der beiden Beschleunigungssensoren (2, 3) zugeordnet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzcharakteristik der Tiefpaßfilter (16, 17) entsprechend den Betriebsbedingungen des bewegten Körpers (1) veränderbar ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Beschleunigungssensoren (2, 3) gemeinsam auf einem Trägersubstrat (41) angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Beschleunigungssensor (2) im Vorderteil und der zweite Beschleunigungssensor (3) im hinteren Bereich eines den Körper (1) bildenden Kraftfahrzeugs angeordnet sind.