DE4117540A1

DE4117540A1 - Einrichtung zur bestimmung von nick- und rollwinkel bei kraftfahrzeugen

Info

Publication number: DE4117540A1
Application number: DE4117540A
Authority: DE
Inventors: Irmfried Prof Dr Ing Hartmann; Lutz Dipl Ing Vietze
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1991-05-29
Filing date: 1991-05-29
Publication date: 1992-12-03

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Bestimmung von Nick- und Rollwinkel sowie zur Bestimmung der Höhenwerte bei Kraftfahrzeugen.

Eine solche bekannte Einrichtung weist ein Kreiselsystem auf, welches die genaue Posi tion und Ausrichtung des Systems in bezug auf ein unbewegtes Koordinatensystem an gibt. Diese Einrichtung ist mit mehreren Nachteilen behaftet. Sie ist teuer, störanfällig und braucht lange Anlaufzeiten. Darüber hinaus geben die Kreiselsysteme bei Fahr bahnen, die in eine Richtung geneigt sind, wie z. B. bei überhöhten Kurven- oder bei Gefälle, die Position und Ausrichtung des Fahrzeuges relativ zu einem unbewegten Koordinatensystem wieder, nicht aber in bezug auf die Ausrichtung der Fahrbahn. Damit aber der Nick- und Rollwinkel eine echte Größe zur Schätzung des Fahrzeugzustandes verwendet werden kann, ist gerade diese Ausrichtung in bezug auf die Fahrbahn entscheidend.

Eine andere Einrichtung zur Bestimmung des Nick- und Rollwinkels beruht auf der Mes sung an allen vier Rädern eines Kraftfahrzeuges. In diesem Fall wird an den vier Feder beinen je ein Sensor befestigt, der die Auslenkung der Federbeine mißt. Nachteilig bei dieser Einrichtung ist es, daß die Meßwerte stark vom Zustand der Reifen, der Räder und der Verformung aller elastischen Teile am Rad abhängig sind.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Einrichtung anzugeben, welche es er möglicht, bei einer gebrauchsvorteilhaften und preisgünstigen Bauform, den Nick- und Rollwinkel bei Kraftfahrzeugen zu ermitteln, wobei die Bestimmung der Ausrichtung des Kraftfahrzeuges in bezug auf die Fahrbahn mit hoher Genauigkeit ermöglicht wird. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, die Einrichtung auch zur Bestimmung der Höhe des Fahrzeuges über der Fahrbahn verwenden zu können.

Diese Aufgabe ist durch die im Hauptanspruch angegebene Erfindung gelöst.

Die erfindungsgemäße Einrichtung ist so konstruiert, daß sie mindestens drei Ultraschall sensoren aufweist, welche derart angeordnet sind, daß sie zwischen sich eine Ebene aufspannen. Die Anwendung von anderen Sensoren, wie z. B. Infrarot oder Radar-Sen soren, ist möglich. Wesentlich ist dabei, daß Sensoren ausgewählt werden, die nach dem Echoprinzip arbeiten. Sind am Fahrzeugboden drei Sensoren so angeordnet, daß sie nicht in einer Linie liegen, so spannen sie zwischen sich eine Ebene auf. Dadurch kann die Ausrichtung der Fahrbahnebene relativ zum Fahrzeug berechnet werden.

Sind die Sensoren an entferntesten Punkten des Fahrzeugbodens angeordnet, so um fassen sie zwischen sich eine maximale Fläche. Je größer die zwischen den Sensoren umspannte Fläche, desto genauer die Messung.

Es ist vorteilhaft, wenn ein Sensor in der Längsmittelachse des Fahrzeuges angeordnet ist. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die durch die Sensoren umspannte Fläche durch die Längsmittelachse des Fahrzeuges in zwei Hälften geteilt wird. Diese "symmetrische" An ordnung der Sensoren erhöht die Genauigkeit der Messung.

Der Ultraschallwandler befindet sich in einem wassergeschützten Gehäuse an der Un terseite des Fahrzeugbodens. Er wird mit einer mit der Zeit linear ansteigenden Frequenz angesteuert. Die unter dem Fahrzeugboden liegende Fahrbahnoberfläche wird mit Ultraschallwellen senkrecht beschallt. Die Höhe der am Fahrzeugboden befindlichen Ultraschallsensoren wird aufgrund der Messung der reflektierten Wellen über das Ultraschall-Echoverfahren bestimmt. Die Signale werden verstärkt gefiltert. Durch den Fahrtwind können die Ultraschallsignale bei höheren Geschwindigkeiten ver weht werden. Aus diesem Grund ist es sinnvoll, in Fahrtrichtung (longitudinal) einen nicht zu kleinen Öffnungswinkel des Senders und Empfängers vorzusehen. Da in lateraler Richtung aufgrund der kleinen lateralen Geschwindigkeiten nicht so große Verwehungen zu erwarten sind, sollte der laterale Öffnungswinkel des Ultraschallwandlers kleiner als der longitudinale Öffnungswinkel sein. Durch diese unterschiedlichen Öffnungswinkel wird die Sendeenergie besser ausgenutzt, wodurch sich das Signal/Rauschverhältnis verbessert. Aufgrund der gemessenen Höhenwerte der Sensoren werden in einem nächsten Schritt die für die Lage und Ausrichtung der Fahrzeugbodenebene charakteristischen Werte bestimmt. Diese Werte a(ν) und b(ν) ergeben sich aus der Beziehung:

mit i=1 . . . 3
wobei r_xi, r_yi, r_zi die Längen der Vektoren und h_i (ν) die Höhe des Sensors über der Fahrbahn bedeuten. Die Vektoren r_i sind unabhängig vom Nick- und Rollwinkel, da sie sich auf das fahrzeugfeste Koordinatensystem beziehen. Die Höhe h_i wird anhand der Laufzeit der ersten eintreffenden Signalteile des Ultraschallsignals bestimmt. Aufgrund dieser Werte wird der Nick- und Rollwinkel bestimmt. Der Nickwinkel ergibt sich zu

und der Rollwinkel ergibt sich zu

Aufgrund der für die Lage und Ausrichtung der Fahrbahnebene in bezug zum Fahrzeug ermittelten Werte a(ν) und b(ν) kann außer dem Nick- und Rollwinkel auch die Höhe beliebiger Punkte des Fahrzeuges über der Fahrbahn aufgrund folgender Beziehung bestimmt werden:

Die Erfindung wird in den nachfolgenden Figuren anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Eine prinzipielle Darstellung der Anordnung der Sensoren und der gemes senen Größen;

Fig. 2 Eine Ansicht des Fahrzeugbodens von unten mit der Meßanordnung zur Schätzung des Nick- und Rollwinkels und der Höhenwerte;

Fig. 3 Eine schematische Darstellung der Hardware-Komponenten zur Bestim mung des Nick- und Rollwinkels.

Das Fahrzeug 1 weist drei am Fahrzeugboden 2 angeordnete Ultraschallsensoren 3, 4, 5 auf. Mittels der Ultraschallsensoren 3, 4, 5 wird die Fahrbahnoberfläche 6 senkrecht mit Ultraschallwellen beschallt. Die Höhe der Sensoren über der Fahrbahn ist h₁, h₂ und h₃. Aus den Messungen der reflektierten Ultraschallwellen nach dem Echoverfahren werden die Vektoren r₁, r₂ und r₃ sowie r_h1, r_h2 und r_h3 bestimmt. Anhand dieser Messungen können dann die weiteren erforderlichen Größen geschätzt werden und daraus der Nickwinkel η(ν) und der Rollwinkel ϕ(ν) bestimmt. Der Nickwinkel beschreibt die Drehung des Fahrzeuges um die y-Achse (siehe Fig. 1); der Rollwinkel die Drehung um die x-Achse.

In Fig. 3 sind die Hardware-Komponenten zur Bestimmung des Nick- und Rollwinkels dargestellt: Die Einrichtung besteht aus Ultraschallsensoren 3, 4, 5, welche als Sender und Empfänger gemäß der Ausführungsform in einem Gerät angeordnet sind. Die emp fangenen Signale werden durch einen Empfangsverstärker 7 verstärkt, anschließend erfolgt eine signalangepaßte Filterung durch einen Bandpaßfilter 8, da aufgrund der ge ringen reflektierten Signalleistungen in dem Empfangssignal additive Störungen zu be rücksichtigen sind. Die mathematischen Operationen, die zur Berechnung des Nick- und Rollwinkels als auch zur Berechnung der Höhe des Fahrzeuges über der Fahrbahn not wendig sind, werden aufgrund der gefilterten Signale in der Mikroprozessoreinheit 9 durchgeführt. Die Mikroprozessoreinheit 9 steuert außerdem die Sendesignale, welche durch einen Senderverstärker 10 verstärkt werden, bevor sie zu den Sensoren 3, 4, 5 gelangen. Dies ist über den PWM-Ausgang (Puls-Weiten-Modulation) des Embedded- Controllers möglich. Die analog verstärkten und gefilterten Daten werden über den A/D- Eingang eingelesen. Aufgrund der Kenntnis der Laufzeit der Signale wird der Empfangs beginn und das Ende des Empfangs durch das Programm über die Timer vorgegeben.

Da die Intensität der Meßsignale oft kleiner als 1 Millivolt ist, ist eine rauscharme Ver stärkung notwendig. Der digitale Teil der Schaltung kann den analogen Verstärker emp findlich stören, deshalb wurden zwei getrennte Spannungsversorgungen für den digita len und den analogen Teil verwendet.

Eine Möglichkeit der signalangepaßten Filterung wird im folgenden beschrieben: Auf grund der einfachen Reflektionsgesetze bei der direkten Reflektion an Körpern, die groß gegenüber der Wellenlänge sind, z. B. einer Fahrbahn, verändert sich der Signalverlauf des empfangenden Nutzsignals nur wenig. Das empfangene Signal

s_n (t) + n (t) (5)

besteht aus dem Nutzsignal s(t) und dem Störsignal n(t). Es werde nun angenommen, daß die mit der Abtastzeit T abgetastete Nutzsignalfolge einer Referenzsignalfolge bis auf die Laufzeitverschiebungen ähnlich sei. Für die Detektion einer bekannten Signal folge {s_ref (n T)} der Länge N in einer durch Rauschen gestörten Signalfolge {s_n (n T)} wird die Schätzung der Kreuzkorrelationsfunktion

gebildet. Ein ausgeprägtes Maximum der Kreuzkorrelationsfunktion weist auf das Auf treten der bekannten Signalfolge {s_ref(nT)} in der gestörten Signalfolge {s_n(nT)} hin. Die Signalfolge {s_ref(nT)} wird in einer ungestörten Umgebung aufgenommen und be rücksichtigt das Übertragungsverhalten der Sende- und Empfangswandler. Die Laufzei ten t_i werden durch Bestimmung der auftretenden Maxima der Kreuzkorrelationsfunk tion R_xy (v_it) an der Stelle

t_i = v_i · T (7)

berechnet. Diese Laufzeiten werden nun zur Berechnung des Nick- und Rollwinkels ver wendet. Aus den durch die drei Ultraschallsensoren bestimmten Laufzeiten t₁, t₂ und t₃ werden die Höhen h₁, h₂ und h₃ mit der Schallgeschwindigkeit c zu

h_i = c · t_i (8)

bestimmt. Mit diesen drei Höhenmessungen kann eine Ebene aufgespannt werden, die die Lage der Fahrbahn in Bezug des fahrzeugfesten Koordinatensystems angibt. Eine Bestimmung des Nick- und Rollwinkels und die Höhe über der Fahrbahn kann aus der Lage der Ebene, mit den Gleichungen (1), (2), (3) und (4) bestimmt werden.

Claims

1. Einrichtung zur Bestimmung von Nick- und Rollwinkel sowie der Höhe über der Fahrbahn bei Kraftfahrzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß am Fahrzeugboden (2) mindestens drei Ultraschallsensoren (3, 4, 5) derart angeordnet sind, daß sie zwischen sich eine Ebene aufspannen.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (3,4, 5) an voneinander entferntesten Punkten des Fahrzeugbodens (2) angeordnet sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sensor (5) in der Längsmittelachse des Fahrzeuges (1) liegt.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Sensoren (3, 4, 5) umspannte Fläche durch die Längsmittelachse des Fahrzeuges (1) in zwei Hälften geteilt wird.

5. Einrichtung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Sensoren (3, 4, 5) Ultraschallsensoren sind.

6. Einrichtung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Fahrbahnoberfläche (6) mit Ultraschall senkrecht beschallt wird und daß nach dem Echoverfahren die Laufzeiten der Ultraschallsi gnale bestimmt werden.